Após quase 10 anos de trabalho, pesquisadores do Google e da Universidade de Harvard lançaram um mapa em 3D que reproduz de modo mais completo o cérebro humano.
Um milímetro cúbico de tecido do cérebro pode parecer pouco. No entanto, essa pequena amostra contém 57 mil células, 230 milímetros de complexos vasos sanguíneos e 150 milhões de sinapses, correspondendo por 1.400 terabytes de dados.
O professor de biologia molecular e celular, Jeff Lichtman, liderou a equipe de pesquisadores de Harvard, que se juntou ao Google para combinar imagens de microscopia por varredura de tunelamento com algoritmos de IA.
Esse tipo de microscopia apresenta imagens em níveis atômicos. Os pesquisadores usaram essa técnica para gerar imagens do mapa do cérebro e os algoritmos de IA codificaram as imagens por cores para reconstruir as conexões extremamente complexas dos cérebros de mamíferos.
Em maio, os líderes da pesquisa publicaram um estudo na revista acadêmica Science.
Desenvolvimento do mapa
O mapa é um fragmento do cérebro de uma mulher de 45 anos que passou por uma cirurgia para tratar epilepsia. Os médicos removeram esse pequeno pedaço do córtex cerebral. Desse modo, os pesquisadores dividiram a amostra em mais de cinco mil partes, cada uma com a espessura de 30 nanômetros.
A equipe de Harvard analisou cada uma das partes através de um microscópio que utiliza múltiplas cargas de elétrons para iluminar as células na amostra. Em seguida, eles enviaram os dados ao Google para iniciar a análise usando IA.
O papel dos pesquisadores do Google consistiu em utilizar modelos de machine learning para identificar os mesmos objetos em diferentes imagens microscópicas de Harvard para desenvolver o mapa. Assim, eles criaram uma renderização em 3D de cada objeto presente nas imagens.
Assim, eles conseguiram combinar as renderizações para reconstruir toda a amostra do cérebro três dimensões.
O resultado é um mapa surpreendentemente detalhado, revelando detalhes nunca vistos antes. Além de várias estruturas cerebrais, o mapa mostra um raro conjunto de axônios com até 50 sinapses e espirais de axônios incomuns.
A imagem à esquerda mostra um neurônio (em branco) com os 5.600 axônios. Em verde, são as sinapses que fazem essas conexões. Imagem: Harvard/Google Research/Reprodução
Os axônios, partes do neurônio, transmitem impulsos elétricos para longe do corpo celular. Eles permitem, portanto, a comunicação entre neurônios e o controle de funções corporais.
O Google publicou um vídeo no YouTube apresentando o de criação do mapa do cérebro com comentários do professor de Harvard (sem legendas em português). Confira:
Futuro
Devido à amostra ser de uma pessoa com epilepsia, os pesquisadores não sabem dizer se esses axônios são patológicos ou raros. No entanto, de acordo com a pesquisa, o Google e a Universidade de Harvard acreditam que esse mapa do cérebro fornece insights valiosos sobre a estrutura cerebral e os possíveis mecanismos de doenças neurológicas.
A principal meta da parceria entre Google e Harvard é criar um mapa de alta resolução com todas as conexões neurais do cérebro de um rato. Para isso, seria necessário cerca de mil vezes mais dados que o mapa 3D do fragmento que cérebro humano gerou.
Nesse sentido, o professor Lichtman comenta sobre a ironia da palavra “fragmento” em relação à quantidade de dados. “Um terabyte, para muitas pessoas, é enorme. No entanto, um minusculo fragmento do cérebro humano corresponde a milhares de terabytes”.
De acordo com Viren Jain, que liderou o projeto no Google, afirmou que a “quantidade e complexidade” dos dados demandaram o desenvolvimento de algoritmos de IA e machine learning de última geração para criar o mapa 3D.