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Qualquer coisa com três corações, sangue azul e pele que pode mudar de cor como uma exibição na Times Square provavelmente chamará a atenção. Encontrar sépia bandensis, conhecido mais descritivamente como o choco anão camuflado. Nos últimos três anos, uma equipe liderada por neurocientistas do Columbia’s Zuckerman, que inclui especialistas em dados e web designers, montou um atlas cerebral desse cativante cefalópode: um roteiro neuroanatômico representando pela primeira vez a estrutura geral de 32 lobos do cérebro, bem como sua organização celular.
O choco anão é um mestre da camuflagem. Em questão de milissegundos, o animal pode mudar o padrão e a textura de sua pele para se misturar dinamicamente com o ambiente. A camuflagem é orientada visualmente e, como seus primos lulas e polvos, o choco controla a cor da pele com o cérebro. Os neurônios dentro do cérebro projetam seus axônios até a pele, onde controlam centenas de milhares de pixels celulares (cromatóforos) para obter a mudança de cor.
Quando um choco se camufla, ele reproduz o que vê em sua pele. Para conseguir isso, o choco deve transformar sua entrada visual em uma representação neural no cérebro e, em seguida, recriar um análogo dessa representação em sua pele. O laboratório de Richard Axel, MD, quer entender como o choco consegue esse feito surpreendente. Compreender a maneira como o mundo visual é representado no cérebro – seja de um cefalópode ou humano – e como essa representação leva a pensamentos e comportamentos está entre as questões mais interessantes da neurociência.
Para descobrir a base neural da camuflagem do choco, os membros do laboratório Axel precisam registrar a atividade dos neurônios de regiões relevantes do cérebro do choco. Para extrair o maior valor científico dessas gravações, no entanto, eles também precisam de um mapa do cérebro, que não estava disponível. Assim, a equipe embarcou em um projeto para construir um atlas neuroanatômico do cérebro do choco anão. Seu trabalho de pesquisa descrevendo o projeto aparece hoje online em biologia atualcom um site correspondente, Cuttlebase.org.
“Uma das minhas abordagens favoritas para aprender sobre o cérebro é estudar criaturas altamente especializadas em comportamentos ou tarefas específicas, como morcegos que usam a ecolocalização para navegar ou pássaros que usam uma memória espacial impressionante para lembrar a localização de itens alimentares ocultos. ” disse Tessa G. Montague, PhD, primeira autora do artigo e pós-doutoranda no laboratório de Richard Axel, MD, também autor do artigo.
“Esperamos e acreditamos que nosso atlas cerebral ajudará a comunidade a aprender mais sobre os mecanismos que os chocos usam para se expressar através de sua pele, e que isso pode nos dar uma ideia de como qualquer cérebro é capaz de representar informações”, disse o Dr. Montague.
Foi necessária uma colaboração estreita e dedicada de especialistas em neurociência, imagens de tecidos, programação de computadores, anatomia e web design para construir o Cuttlebase. Para a base subjacente do atlas cerebral, a equipe escaneou os corpos e cérebros de quatro chocos machos e quatro fêmeas usando ressonância magnética (MRI), um esteio diagnóstico para os médicos. Um algoritmo de aprendizado profundo, um tipo de inteligência artificial, ajudou a separar os cérebros dos animais do tecido circundante, nos dados da varredura.
A coautora Sabrina Gjerswold-Selleck, que recentemente concluiu um mestrado na Universidade de Columbia e agora trabalha para a Neuralink, disse que a equipe teve um início acelerado com a pesquisa por causa do trabalho relacionado que ela havia feito no grupo do coautor Jia Guo na Columbia com exames de ressonância magnética. de ratos.
“Desenvolvemos uma abordagem de aprendizado profundo que foi capaz de separar os dados relacionados ao cérebro em cada ressonância magnética dos dados vinculados a outros tipos de tecidos nessas varreduras”, disse Gjerswold-Selleck. “Ficamos surpresos com o quão bem fomos capazes de adaptar a técnica.”
Em seguida, comparando os exames de ressonância magnética com apenas um punhado de imagens cerebrais rotuladas da década de 1960, os pesquisadores tiveram que determinar os limites de cada lobo cerebral de choco anão.. Este foi um esforço monumental de análise de dados por seis dos coautores que dedicaram centenas de horas durante a pandemia para delinear os oito conjuntos de dados de chocos.
Isso resultou em centenas de imagens em tons de cinza com contornos das regiões cerebrais análogas, digamos, aos contornos de estados e condados em um atlas de várias páginas dos Estados Unidos. Para atualizar seu atlas cerebral de choco para que ele ofereça resolução celular – equivalente a um atlas detalhado que mostra todas as estradas, colinas, lagos e rios dos estados – os pesquisadores recorreram a técnicas histológicas, que revelam a estrutura microscópica do tecido . Isso exigiu que os biólogos da equipe seccionassem meticulosamente os cérebros dos chocos e, em seguida, manchassem cada um com rótulos químicos coloridos que marcam a localização das células e partes do cérebro, incluindo neurônios, células gliais e axônios.
Uma das muitas visualizações na ferramenta da web Cuttlebase do cérebro multilobular do choco anão Sepia bandensis (Crédito: equipe Cuttlefish/Axis Lab/Zuckerman Institute)
Finalmente, depois de completar o atlas histológico e anotar os oito exames de ressonância magnética de chocos, os pesquisadores fundiram os oito cérebros em um único atlas. No total, eles identificaram 32 lóbulos no choco anão, a maioria dos quais puderam conectar com funções e comportamentos biológicos específicos, por conta de estudos clássicos de meio século atrás. Os dois maiores lobos, os lobos ópticos, processam a entrada visual dos olhos hipnotizantes do animal, por exemplo. Os neurônios motores nos lobos cromatóforos orquestram os mecanismos de mudança de cor na pele. Um lobo vertical tem sido implicado na aprendizagem e na memória.
Embora esta análise dos dados do choco seja uma consequência, “o principal objetivo do artigo é relatar a ferramenta de visualização e pesquisa, Cuttlebase, e torná-la totalmente disponível gratuitamente e facilmente acessível a todos”, disse o Dr. Montague.
Com facilidade intuitiva, os usuários podem convocar seções histológicas que especificam diferentes regiões cerebrais e nervos; um modelo 3D giratório e com zoom do cérebro; e um modelo 3D dos 26 órgãos do choco, incluindo seus três corações, saco de tinta, bico e nervos que transportam sinais entre o cérebro e seus oito braços. Todos os dados em Cuttlebase estão disponíveis para outros pesquisadores desenvolverem em seus laboratórios. Explicações dos lóbulos cerebrais e outros recursos fáceis de usar fornecem recursos de aprendizado para não especialistas.
Os co-autores Sukanya Aneja e Dana Elkis (engenheiro e web designer da equipe, respectivamente) do Programa de Telecomunicações Interativas da Universidade de Nova York, que também são membros da equipe Cuttlebase, desempenharam papéis principais no desenvolvimento do site.
“Tivemos muitas discussões sobre como traduzir tudo o que tínhamos em uma experiência baseada na web que seria atraente tanto para cientistas quanto para não cientistas”, disse Aneja.
“Precisávamos combinar vídeos, imagens, o cérebro modelo 3D, ilustrações, gráficos e diagramas”, observou Elkis.
A coautora Isabelle Rieth, estudante de pós-graduação do Programa Interdepartamental de Neurociência da Northwestern University e ex-membro da equipe Cuttlebase, trouxe habilidades de design adicionais para transformar o que de outra forma seria uma experiência da Web em preto e branco em uma explosão de cores que ajudam a esclarecer o que os usuários estão vendo.
Por mais desafiador e trabalhoso que o projeto tenha sido para os colaboradores, eles não podem deixar de se apaixonar pelos chocos com os quais trabalham e estão aprendendo.
“Os chocos são fascinantes de se ver”, disse o Dr. Montague. “Quando eles estão se camuflando ou se comunicando uns com os outros, eles estão efetivamente revelando a você na pele o que eles veem e como se sentem.”
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