Novo atlas do cérebro humano em 3D

A arquitetura das células nervosas muda na fronteira entre duas áreas (linha pontilhada). Essa é a base do mapeamento. As áreas dos cérebros estudados são transferidas para o Atlas Julich-Brain e depois são sobrepostas. Como as áreas entre os cérebros individuais variam, são calculados mapas de probabilidade (hemisfério direito do cérebro; vermelho significa alta probabilidade e, portanto, baixa variabilidade). O hemisfério cerebral esquerdo mostra o mapa de probabilidades máximas para representação simultânea de várias áreas do cérebro. Crédito: Forschungszentrum Juelich / Katrin Amunts.

Julich-Brain é o nome do primeiro atlas 3-D do cérebro humano que reflete a variabilidade da estrutura do cérebro com resolução microscópica. O atlas apresenta cerca de 250 áreas estruturalmente distintas, cada uma baseada na análise de 10 cérebros. Mais de 24.000 seções cerebrais extremamente finas foram digitalizadas, montadas em 3D e mapeadas por especialistas. Como parte da nova infraestrutura EBRAINS do Projeto Europeu do Cérebro Humano (European Human Brain Projec), o atlas serve como uma interface para vincular informações sobre o cérebro de maneira espacialmente precisa. Pesquisadores alemães liderados pelo professor Katrin Amunts apresentaram agora o novo atlas cerebral na revista Science.

Sob o microscópio, pode-se ver que o cérebro humano não é estruturado uniformemente, mas dividido em áreas claramente distinguíveis. Essas áreas diferem na distribuição e densidade das células nervosas e na função. Com o Atlas Julich-Brain, os pesquisadores liderados por Katrin Amunts agora apresentam o mapa digital mais abrangente da arquitetura celular do cérebro e o disponibilizam em todo o mundo através da infra-estrutura de pesquisa EBRAINS.

"Por um lado, o atlas digital do cérebro ajudará a interpretar os resultados de estudos de neuroimagem, por exemplo, de pacientes com mais precisão", diz Katrin Amunts, diretor do Centro de Pesquisa Alemão Juelich e professor da Universidade de Düsseldorf. "Por outro lado, está se tornando a base para um tipo de 'Google Earth' do cérebro - porque o nível celular é a melhor interface para vincular dados sobre facetas muito diferentes do cérebro".

Animação 3D do atlas. Crédito: Amunts et al., Science (2020).

Dessa forma, os pesquisadores estão dando uma contribuição significativa ao Projeto Cérebro Humano (HBP). "Juntamente com muitos parceiros neste projeto, estamos construindo o EBRAINS como uma nova infraestrutura de pesquisa de alta tecnologia para as neurociências", diz Amunts, que também é diretor de pesquisa científica do projeto.

Mais de um quarto de século de pesquisa foi feita no atlas 3D. Dezenas de especialistas usaram análise de imagem e algoritmos matemáticos para avaliar as seções de tecidos ao longo dos anos e determinar os limites entre as áreas do cérebro, que juntas compõem um comprimento de quase 2000 metros.

Um mapa de probabilidade com código de cores do pólo frontal do cérebro. Vermelho significa uma alta probabilidade e, portanto, uma baixa variabilidade. Crédito: Forschungszentrum Juelich / Katrin Amunts.

Regiões variam em sua diferença

O mapeamento mostrou que as áreas variam entre cérebros diferentes, por exemplo, em termos de tamanho e localização. O Atlas Julich-Brain, portanto, exibe a posição e a forma de regiões individuais como mapas de probabilidade. Os pesquisadores descobriram diferenças particularmente grandes na região de Broca, que está envolvida na linguagem. Em contraste, a área visual primária parecia muito mais uniforme.

Uso do Atlas na Web através do Human Brain Project e ebrains.eu. Crédito: Amunts et al., Science (2020).

Como parte do EBRAINS, o Atlas Julich Brain é o ponto de partida para reunir estrutura e função. O atlas já está ajudando a vincular dados sobre expressão gênica, conectividade e atividade funcional para entender melhor as funções cerebrais e os mecanismos de doenças. "O EBRAINS também nos permite usar os mapas para simulações ou aplicar inteligência artificial para explorar a divisão do trabalho entre as áreas do cérebro. A enorme quantidade de dados gerados a partir disso é processada usando a plataforma de computação EBRAINS". O poder computacional vem da nova rede européia de supercomputação FENIX, formada por cinco centros líderes em computação de alto desempenho, incluindo o Julich Supercomputing Center (JSC).

Visão do mapa. Crédito: Research Center Julich / Katrin Amunts.

Ciência do cérebro digital