Resumo:
Pesquisas recentes com organoides do cérebro humano mostram que a atividade neural inicial segue padrões organizados mesmo antes de qualquer experiência sensorial. Isso sugere que o cérebro humano já vem “pré-configurado” para processar informações, ao invés de depender apenas do que percebe do ambiente.
Esses organoides apresentaram assinaturas de atividade complexas, semelhantes ao modo padrão do cérebro, indicando um plano genético para percepção e cognição. Essas descobertas abrem novas possibilidades para entender melhor o desenvolvimento inicial do cérebro, distúrbios neurodesenvolvimentais e o impacto de toxinas no cérebro fetal.
Fatos principais:
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Atividade Padrão: Organoides exibiram padrões de disparo neural organizados, similar à rede de modo padrão do cérebro, mesmo sem receber estímulos externos.
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Plano Genético: As descobertas apontam que o cérebro já começa a formar circuitos com instruções internas antes de qualquer experiência moldá-los.
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Ferramenta para Entender Distúrbios: Esses padrões iniciais podem ajudar na identificação de interrupções no desenvolvimento que estão ligadas a doenças ou à exposição a toxinas.
Os seres humanos sempre se perguntaram quando e como começamos a formar pensamentos. Nascemos com um cérebro já programado ou os padrões de pensamento aparecem apenas em resposta às experiências sensoriais que vivemos?
Agora, a ciência está se aproximando de responder perguntas que filósofos discutem há séculos.
Pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, estão usando pequenos modelos de tecido cerebral humano, chamados organoides, para estudar os primeiros momentos da atividade elétrica no cérebro.
Um estudo recente na revista Nature Neuroscience revela que os primeiros disparos do cérebro ocorrem em padrões estruturados, mesmo sem qualquer experiência externa, sugerindo que o cérebro humano já possui instruções sobre como operar e interagir com o mundo.
“Essas células estão claramente interagindo entre si e formando circuitos que se autoorganizam antes de experimentarmos algo do mundo exterior”, afirmou Tal Sharf, professor assistente de engenharia biomolecular.
“Existe um sistema operacional que emerge em um estado primário. No meu laboratório, cultivamos organoides do cérebro para observar essa versão primordial do funcionamento do cérebro e estudar como ele se constrói antes de ser moldado pela experiência.”
Compreender melhor o desenvolvimento inicial do cérebro humano pode ajudar os pesquisadores a entender melhor os distúrbios no desenvolvimento e a identificar o impacto de toxinas, como pesticidas e microplásticos, no cérebro em desenvolvimento.
Estudando o Cérebro em Desenvolvimento
O cérebro funciona como um computador, operando por meio de sinais elétricos – o disparo de neurônios. Entender quando esses sinais começam a ser emitidos e como o cérebro humano se desenvolve é um desafio, já que o cérebro que está se formando está protegido no útero.
Os organoides, que são modelos tridimensionais de tecido cultivados a partir de células-tronco humanas em laboratório, oferecem uma janela única para o desenvolvimento cerebral. O grupo Braingeneers da UC Santa Cruz, em colaboração com pesquisadores da UC San Francisco e UC Santa Barbara, está inovando na forma de crescer esses modelos e medir suas atividades, buscando insights sobre o desenvolvimento e distúrbios do cérebro.
Esses organoides são particularmente úteis para entender se o cérebro se desenvolve em resposta a estímulos sensoriais, já que eles existem em um ambiente de laboratório e podem ser cultivados de forma ética em grande quantidade.
Neste estudo, os pesquisadores estimularam células-tronco a formar tecido cerebral e depois mediram sua atividade elétrica com microchips especiais, semelhantes aos que rodam computadores. A formação de circuitos do cérebro inicial é uma área em que Tal Sharf possui expertise por conta de seu histórico em física aplicada, computação e neurobiologia.
“Um sistema de organoides que não depende de qualquer entrada sensorial ou comunicação com órgãos dá uma janela para o que acontece durante esse processo de auto-organização”, afirmou Sharf.
“Esse processo de auto-organização é muito difícil de ser feito com culturas celulares 2D tradicionais, já que não se consegue a diversidade celular e a arquitetura necessária. As células precisam estar em contato íntimo entre si. Estamos tentando controlar as condições iniciais para deixar a biologia fazer sua mágica.”
Produção de Padrões
Os pesquisadores observaram a atividade elétrica do tecido cerebral enquanto ele se autoorganizava a partir das células-tronco, formando um tecido capaz de traduzir os sentidos e produzir linguagem e pensamento consciente.
Dentro dos primeiros meses de desenvolvimento, muito antes de o cérebro humano conseguir receber e processar informações sensoriais complexas como visão e audição, as células começaram a emitir sinais elétricos típicos dos padrões que fundamentam a tradução das experiências sensoriais.
Com décadas de pesquisa em neurociência, a comunidade científica descobriu que os neurônios disparam em padrões que não são aleatórios. O cérebro possui um “modo padrão” — uma estrutura de base para o disparo de neurônios que se torna mais específica conforme o cérebro processa sinais únicos, como cheiros ou gostos. Esse modo padrão define a gama de respostas sensoriais que o corpo e o cérebro podem gerar.
Nas observações dos disparos de neurônios únicos nos modelos de organoides em auto-organização, Sharf e seus colegas notaram que os primeiros padrões observáveis tinham semelhanças impressionantes com o modo padrão do cérebro.
Mesmo sem receber estímulos sensoriais, os organoides exibiam uma variedade complexa de padrões temporais, que têm potencial para serem refinados para sentidos específicos, sugerindo um plano genético inerente à arquitetura neural do cérebro vivo.
“Esses sistemas auto-organizados podem servir como base para construir uma representação do mundo ao nosso redor”, disse Sharf.
“O fato de conseguimos observar isso em estágios iniciais mostra que a evolução tem uma forma de fazer com que o sistema nervoso central construa um mapa que nos permita navegar e interagir com o mundo.”
Saber que esses organoides produzem a estrutura básica do cérebro vivo abre muitas possibilidades para entender melhor o neurodesenvolvimento humano, doenças e os efeitos de toxinas no cérebro.
“Estamos mostrando que existe uma base para capturar dinâmicas complexas que provavelmente são sinais de doenças que poderíamos estudar em tecidos humanos”, disse Sharf. “Isso nos permitiria desenvolver terapias, em parceria com clínicos em nível pré-clínico, para potencialmente criar compostos, tratamentos medicamentosos e ferramentas de edição genética que poderiam ser mais acessíveis e eficientes.”
O estudo envolveu pesquisadores de várias instituições, explorando as complexidades do desenvolvimento cerebral.
Perguntas Frequentes:
Q: O que os organoides do cérebro revelam sobre a atividade neural inicial?
A: Eles mostram padrões elétricos organizados que surgem antes de qualquer estímulo sensorial.
Q: O cérebro forma circuitos sem experiência?
A: Sim, os organoides se auto-organizam em redes que disparam de forma coordenada.
Q: Por que isso é importante para o neurodesenvolvimento?
A: Esses padrões iniciais podem moldar como o cérebro constrói sistemas para perceber, aprender e pensar.
Sobre esta pesquisa em neurodesenvolvimento:
Esse trabalho avança nosso conhecimento sobre como o cérebro humano se desenvolve e as implicações para a saúde ao longo da vida.