Cientistas capturam instantâneos detalhados de células cerebrais de camundongos mordiscando neurônios

JoAnn Buchanan, Ph.D., foi fundo nos dados. Um clique de cada vez, ela examinou as formas 3D ramificadas e retorcidas das células cerebrais do rato na tela do computador. Então Buchanan, uma cientista do Allen Institute, viu algo estranho: um tipo de célula cerebral que ela não conhecia.

“São células tão bonitas, tão bonitas. E fiquei obcecado”, disse Buchanan. Esses células cerebrais, menores que os neurônios, mas igualmente complexos, são conhecidas como células precursoras de oligodendrócitos, ou OPCs, para abreviar. “Eu vi algo neles que nunca tinha sido visto antes”, disse Buchanan.

Ela não quis dizer isso metaforicamente. Ela literalmente viu algo dentro desse OPC que ninguém mais havia visto – um maquinário capaz de digerir partes de outras células.

Descobriu-se que os OPCs estavam mordendo e engolindo minúsculos pedaços de neurônios vizinhos. Parece macabro, mas este é um processo normal no cérebro. É chamado poda sináptica e isso acontece principalmente durante o desenvolvimento inicial de nossos cérebros. À medida que os neurônios formam novas conexões – também chamadas de sinapses – e perdem as antigas, outras células do cérebro limpam e descartam o maquinário físico das conexões indesejadas.

Buchanan e seus colegas publicaram um artigo descrevendo esse novo papel mordiscado de neurônios para OPCs na revista Anais da Academia Nacional de Ciências. Anteriormente, pensava-se que esse transporte de lixo sináptico era da competência da microglia, um tipo de célula imunológica especializada para o cérebro. A microglia é conhecida como o sistema de eliminação de lixo do cérebro – tão famosa por essa tarefa que, quando Buchanan discutiu suas descobertas pela primeira vez com outras pessoas da área, alguns neurocientistas não conseguiam acreditar que os OPCs também pudessem podar neurônios.

Essa alimentação celular é conhecida como fagocitose— da antiga palavra grega phagein, que significa consumir ou devorar. As células que realizam a função devoradora são chamadas de fagócitos.

“Essa descoberta foi uma surpresa completa, porque se acreditava que esse era o principal objetivo da micróglia – eles são conhecidos como os principais fagócitos do cérebro”, disse Buchanan. “E, de repente, esta outra célula está fazendo isso.”

Os OPCs são conhecidos por dar origem a outro tipo de célula cerebral conhecida como oligodendrócitos, que formam um isolamento espesso e branco em torno de feixes de nervos. Esse isolamento elétrico, também chamado de mielina, compõe a “matéria branca” do cérebro e também é a estrutura cerebral chave para sucumbir aos danos causados ​​pela doença autoimune esclerose múltipla.

Mas os cientistas suspeitaram por um tempo que os OPCs fazem outra coisa além de gerar essas células cerebrais isolantes, porque existem muitas delas no cérebro. As descobertas da equipe do Allen Institute apontam para outro papel possível para essas células.

“Essas células estão se tornando mais apreciadas agora”, disse Dwight Bergles, Ph.D., professor de neurociência na Escola de Medicina da Universidade Johns Hopkins e co-autor do estudo OPC. “Mas seria difícil encontrá-los discutidos em livros de neurociência, e isso apesar do fato de que eles constituem cerca de 5% de todas as células do sistema nervoso central”.

Algo novo dos dados

Sua descoberta aconteceu graças a um conjunto de dados massivo Buchanan ajudou a criar uma coleção de formas 3D detalhadas das quase 200.000 células cerebrais presentes em um pedaço do cérebro de um camundongo do tamanho de um grão de areia.

Esse conjunto de dados de células cerebrais foi gerado usando um microscópio eletrônico, que captura imagens bombardeando uma fatia do cérebro com um feixe de elétrons focalizados. Como os elétrons têm um comprimento de onda muito menor do que a luz, microscópios eletrônicos pode capturar pequenos detalhes com uma resolução muito maior do que os microscópios de luz. O tipo de microscópio eletrônico usado no Allen Institute passa um feixe de elétrons através de uma fina fatia de material; o pedaço de cérebro de camundongo do tamanho de um grão de areia foi cortado em 25.000 fatias incrivelmente finas antes que a equipe de pesquisadores o fotografasse.

Buchanan tem trabalhado com dados de microscopia eletrônica durante toda a sua carreira, há mais de 40 anos. Mas ela nunca trabalhou com um conjunto de dados como este, disse ela. Por um lado, há o tamanho dele – além de abrigar tantas células, é grande o suficiente para capturar neurônios complexos e ramificados e outras células cerebrais em sua totalidade e em relação às células vizinhas. Mas o mais importante para as descobertas que Buchanan fez sobre OPCs, o conjunto de dados foi computacionalmente costurado de suas fatias superfinas originais em belas visualizações 3D de células inteiras.

O projeto levou cinco anos e muitas equipes de cientistas para ser concluído. Foi realizado em colaboração pelo Allen Institute, Baylor College of Medicine e Princeton University, que gerou os modelos computacionais 3D que permitem uma exploração tão aprofundada.

Agora, os cientistas de todas as três organizações estão obtendo informações do enorme conjunto de dados 3D. Como os dados estão disponíveis publicamente, qualquer pessoa que queira também pode mergulhar nas milhares de estruturas dentro da minúscula partícula do cérebro do rato.

A equipe do Allen Institute concentrou-se principalmente nas estruturas dos neurônios do camundongo, que representam pouco menos da metade das células do conjunto de dados, disse Nuno Maçarico da Costa, Ph.D., pesquisador associado do Allen Institute for Brain Science e um co-autor do estudo OPC. Mas há muito mais para estudar nos dados do que os neurônios – como os OPCs.

“Essa descoberta só foi possível com a combinação da percepção de JoAnn e a escala do conjunto de dados”, disse da Costa. “Ela nos ensinou algo novo sobre os dados.”