Palavra de Sá

Como organoides cerebrais estão revolucionando a neurociência

A maior parte dos estudos em neurociência acontecem com animais de laboratório, roedores. Isso pode parecer estranho para a maioria das pessoas. Afinal, não foi o cérebro de um roedor que nos colocou na Lua ou que gerou as maiores obras de arte do mundo. Foi o cérebro humano em toda a sua complexidade que gerou nossa compreensão da vida e das leis que regem o Universo.

Não foi diferente comigo. Como pesquisador de pós-doutorado já nos EUA, comecei a aprender ativamente como dissecar cérebros de camundongos. Eu esperava descobrir mais sobre as principais regiões e estruturas importantes associadas a distúrbios mentais e neurológicos, como autismo e epilepsia – e, finalmente, como corrigi-los.

Pratiquei até me tornar um especialista na anatomia do sistema nervoso do camundongo. Era um trabalho sangrento e pagava o preço as noites. Em meus sonhos, repassava a vívida experiência de remover os cérebros de pequenos crânios e cortá-los. Algo sobre esses pesadelos me dizia para não continuar. Por fim, reuni coragem para desafiar meus colegas: e se as doenças que queremos tratar e as respostas que queremos não forem encontradas no cérebro do camundongo?

Muitos cientistas ressaltam como essas duas espécies são semelhantes em termos de estrutura cerebral. Mas apesar das semelhanças, essas duas espécies seguiram caminhos evolutivos distintos, adaptando os cérebros para seus respectivos estilos de vida e nichos evolutivos. Isso explica por que as curas em camundongos nem sempre se traduzem em curas para humanos. E há uma razão pela qual os neurocientistas tendem a confiar em modelos de camundongos – é mais prático e seguro do que testar em pessoas. Historicamente, no entanto, isso nos deixou com muitas perguntas sem resposta, como quando o primeiro neurônio humano dispara? E como o córtex cerebral humano se forma?

Pelo menos sabemos quando o córtex humano – a região do cérebro relacionada aos nossos tipos mais sofisticados de cognição – se forma: ele cresce no útero. Embora normalmente usemos técnicas não invasivas, como o ultrassom, para visualizar o cérebro fetal em desenvolvimento, não podemos investigá-lo experimentalmente em uma resolução que nos permita entendê-lo. As limitações não são apenas tecnológicas – há preocupações éticas óbvias sobre o estudo invasivo de um embrião humano dentro do útero.

Mas e se pudéssemos recriar o cérebro humano fora do útero? Em 2008, o pesquisador japonês Yoshiki Sasai mostrou que era possível cultivar tecidos neurais humanos artificiais fora do útero.

As chamadas células-tronco 'pluripotentes' têm a capacidade de gerar tipos de células para todos os tecidos do corpo humano. Você pode encontrar células-tronco pluripotentes no embrião humano, ou reprogramando células de um organismo mais desenvolvido, que captura o genoma do doador.

Independente de suas origens, Sasai mostrou que é possível conduzir essas células a se tornarem um tecido neural, expondo-as a fatores externos específicos. Quando suspensas em líquido, essas células neurais comprometidas se auto-agregam espontaneamente e formam pequenos aglomerados tridimensionais organizados que se assemelham à estrutura anatômica do cérebro humano fetal. Agora chamamos essas estruturas de 'organoides cerebrais' ou 'mini-cérebros' na cultura pop.

Esses organoides cerebrais podem crescer até 0,5 cm, um pedaço de tecido branco do tamanho de uma ervilha que você pode visualizar a olho nu. Em meu laboratório na California, nós os mantemos flutuando em um ensopado suculento e avermelhado que contém todos os nutrientes de que as células neurais precisam para sobreviver. E, de fato, eles podem sobreviver por semanas, meses e anos. A vantagem desses organoides é que eles reencenam a maneira como o cérebro humano se desenvolve no útero. Ao contrário de um cérebro de camundongo que está totalmente formado em cerca de 20 dias, leva nove meses para um organoide do cérebro humano se tornar semelhante no nível molecular, celular e funcional ao cérebro de um bebê recém-nascido.

Mas não fique muito animado ainda. Essas estruturas carecem de certos tipos de células, não há suprimento de sangue. Além disso, eles são minúsculos, com cerca de 2,5 milhões de neurônios (em comparação com 86 bilhões de neurônios no cérebro humano).

Mesmo com essas limitações, esse modelo reducionista de cérebro humano foi crucial para ajudar a descobrir que o vírus Zika foi o culpado por trás do surto de defeitos congênitos no nordeste do Brasil em 2015. Meu laboratório também usou essa ferramenta para encontrar novos tratamentos para alguns distúrbios neurológicos raros sem cura. Nada mal para um cérebro minúsculo.

Porém, por mais importante que essa tecnologia seja disruptiva, ainda faltava algo: os organoides cerebrais não exibiam a mesma atividade elétrica que o cérebro humano. Durante o desenvolvimento, milhões de neurônios estão sendo produzidos todos os dias e, à medida que amadurecem, começam a formar conexões entre si. Essas conexões não são formadas aleatoriamente; em vez disso, eles eventualmente formarão o que é conhecido como uma rede neural estruturada. Pensava-se que a orquestração dessas redes envolvia a sinalização de diferentes regiões do cérebro e até mesmo de tecidos não neurais. Assim, parecia improvável que observássemos esse tipo de rede neural em organoides cerebrais feitos pelo homem em laboratório.

Isso representava um sério problema para mim, tanto pessoal quanto profissionalmente. As condições neurológicas que estudo são causadas por perturbações em redes neurais estruturadas, como esquizofrenia e autismo.

Eu sei exatamente o quanto essas condições são desafiadoras: meu filho Ivan nasceu com autismo profundo. Ele é não-verbal, com grave atraso no desenvolvimento e centenas de convulsões por semana. É capaz de passar horas manipulando um único objeto, balançando-se em uma cadeira ou tentando persistentemente realizar uma tarefa improvável. Ainda assim, sua mente é extraordinária quando se trata de explorar o ambiente ao seu redor. Ele pode identificar um novo item em uma grande loja como se estivesse gritando seu nome.

Nesse contexto, a ideia de tentar entender o autismo estudando um cérebro sem atividade neural seria como tentar entender o diabetes estudando um pâncreas sem insulina.

Essa limitação foi o que nos encorajou a encontrar maneiras de permitir que os organoides pudessem se comportar como um cérebro humano. Depois de diversos anos de pesquisa e muitas falhas, finalmente observamos o surgimento espontâneo de ondas oscilatórias cerebrais, semelhantes às detectadas por eletroencefalogramas (EEG). Essas ondas oscilatórias semelhantes ao EEG são onipresentes em todos os cérebros humanos vivos, mas nunca foram registradas emergindo de qualquer sistema vivo feito pelo homem.

Foi a prova final de que esse modelo simplista do cérebro humano poderia, de fato, recriar a formação organizada das redes que surgem no útero. Como sabemos que o autismo começa no útero, agora estamos aplicando essa tecnologia para entender como as perturbações dessas oscilações neurais podem contribuir para o autismo. Espero que a pesquisa nos leve a melhores intervenções para meu filho e milhões de outras pessoas que vivem com autismo profundo em todo o mundo.

O surgimento de ondas semelhantes ao EEG em organoides cerebrais humanos foi, sem dúvida, um marco importante, mas também desencadeou preocupações éticas e morais. A nova tecnologia que permite que os organoides se desenvolvam dessa maneira também permite que eles incorporem entradas e saídas de outras regiões do cérebro ou informações sensoriais, como a retina derivada de células-tronco humanas ou sensores de dor.

E se esses organoides adquirirem algum nível de consciência ou autoconsciência? Embora o objetivo de criar consciência intencionalmente usando organoides do cérebro humano não seja o foco da maioria dos investigadores, a consciência pode surgir involuntariamente à medida que nossos protocolos melhoram. E caso os organoides tornem-se conscientes e possuem outras capacidades cognitivas, será vital determinar sua posição moral.

Colocando as preocupações éticas de lado, as redes complexas nos organoides do cérebro humano podem revelar um dos maiores mistérios do cérebro humano: como aprendemos? A aprendizagem é um processo cognitivo complexo, moldado pela evolução ao longo de milhões de anos e modulado pelo sistema nervoso em tempo real.

Um passo essencial para a compreensão da cognição humana envolve a dissecação dos mecanismos biológicos fundamentais da aprendizagem. À medida que o cérebro amadurece, ele muda de um cérebro embrionário privado de experiência para um cérebro sensorial constantemente estimulado após o nascimento. Investigações anteriores dos mecanismos biológicos de aprendizagem focavam apenas em assuntos pós-natais e ignoraram o período crítico de neurodesenvolvimento quando essa transição ocorre no útero.

Recentemente, estendemos o modelo organoide do cérebro para capturar esse período crítico do aprendizado inicial. Para fazer isso, projetamos uma interface robótica que consegue se mover usando a atividade elétrica coordenada de um organoide cerebral. O robô possui sensores infravermelhos, detectando obstáculos antes de atingi-los.

Ao se aproximar de um objeto, o robô estimula os organoides. Em resposta, eles ativam um novo conjunto de neurônios que, quando detectados por um computador, podem dar um comando de 'virar à direita' ao robô. Isso fornece feedback sensório-motor ao organoide enquanto ele explora o ambiente, para avaliar se o organoide pode aprender com um conjunto de variáveis pré-determinadas, como uma simples pista de obstáculos.

Prevemos que este sistema robótico se adapte, evolua e crie soluções com base nos obstáculos que encontrar. Por meio desses experimentos, esperamos entender melhor os mecanismos de aprendizagem no neurodesenvolvimento inicial e preparar o terreno para futuras investigações em neurociência de sistemas e cognição incorporada.

Dissecar como um organismo ajusta seus sistemas sensório-motor e nervoso não é apenas crucial para entender a inteligência e a criatividade humanas, mas também para projetar algoritmos de aprendizado mais robustos e eficientes para pesquisa de IA.

Nosso laboratório também está usando organoides cerebrais para entender as principais questões evolutivas sobre as origens do cérebro humano. Tenho um fascínio permanente pelos neandertais que me acompanha desde criança e levanta questões filosóficas profundas que continuam a me assombrar: quem somos nós? O que nos torna humanos? Os neandertais não eram tão sofisticados em termos de arte, tecnologia e adaptação quanto os humanos modernos, embora o volume de seu cérebro fosse semelhante ao nosso. Os neandertais compartilharam parte de sua história evolutiva conosco, nós acasalamos e depois eles desapareceram. Entender como essas duas populações interagiram nos diria muito sobre nós mesmos.

Há pouco mais de 150 anos, os primeiros fósseis dos neandertais foram descobertos na Alemanha. Ao analisar esses ossos e compará-los com os nossos, pudemos obter uma imagem precisa de como os neandertais poderiam ter sido, quando sua linhagem se separou da nossa e quando foram extintos – cerca de 40.000 anos atrás. Em 2010, foi publicado o primeiro rascunho do genoma neandertal com base em antigas amostras de DNA coletadas dos ossos de três indivíduos do sexo feminino, que viveram em diferentes épocas em uma caverna na Croácia, há cerca de 40 mil anos. Isso foi seguido por uma sequência mais completa do genoma de um hominídeo arcaico da caverna Denisova nas montanhas Altai da Sibéria. A análise genética do indivíduo denisovano revelou que sua população é um grupo irmão dos neandertais.

A comparação dos genomas neandertais, denisovanos e humanos existentes revelou que muitos humanos modernos carregam genes introduzidos a partir de cruzamentos entre essas populações. Também nos permitiu identificar diferenças genéticas específicas de humanos que podem ter sido importantes para nossa evolução mais recente. Os genomas humanos têm muito em comum com os genomas neandertais e denisovanos.

Até o momento, o foco principal da genética comparativa entre humanos arcaicos e modernos tem sido nesses locais compartilhados, onde os humanos modernos adotaram elementos arcaicos. Dessa forma, grupos de Homo sapiens chegando a uma nova área foram capazes de cooptar algumas das adaptações que outros grupos de humanos desenvolveram ao longo de milênios de seleção natural. Os exemplos variam de imunidade a patógenos locais a adaptações fisiológicas para viver em grandes altitudes.

A genética comparativa também mostrou que herdamos a suscetibilidade a certas condições ou doenças de nossos parentes extintos. O diabetes é um deles. Embora a resistência à insulina possa ser benéfica em um ambiente de fome, ela cria todos os tipos de problemas para o corpo quando a comida é abundante e acessível. Mais intrigante é a descoberta de que o vício também é algo que adquirimos de nossos parentes extintos. O vício pode ser um fator de sobrevivência quando a situação exige comportamento repetitivo para realizar algo com baixa probabilidade – mas quando drogas que atuam em nosso sistema de recompensa estão facilmente disponíveis, sofremos suas consequências.

Embora muito interesse tenha sido colocado nos benefícios clínicos e nas consequências da compreensão dos genes que compartilhamos com nossos ancestrais, minha equipe e eu argumentamos que as áreas de divergência podem ser de igual ou maior valor clínico. Infelizmente, isso vai contra o equívoco comum de que os estudos evolutivos não se traduzem em benefícios médicos.

Por exemplo, enquanto os mecanismos por trás da postura bípede incomum e do andar largo dos humanos permanecem muito debatidos, é claro que várias doenças – como hérnias, hemorróidas, varizes, distúrbios da coluna, osteoartrite da articulação do joelho, prolapso uterino e parto difícil – surgiram de esta mudança marcante na anatomia e fisiologia do órgão. Compreender o caminho evolutivo para o ser humano moderno provavelmente iluminará as origens das doenças humanas.

Para encontrar as regiões do genoma que são exclusivamente 'nós', comparamos os genomas de nossos parentes extintos com os dos humanos modernos. Surpreendentemente, observando os genes codificadores de proteínas, encontramos apenas 61 genes diferentes entre os neandertais e nós. Desses 61, um punhado está diretamente relacionado ao cérebro, e apenas um parece ser relevante nos estágios iniciais do neurodesenvolvimento humano.

Este é um gene chamado NOVA1. É importante porque regula a atividade de centenas de outros genes a jusante, principalmente os implicados nas sinapses, as estruturas que permitem a comunicação entre as células cerebrais. A diferença está em uma única letra do DNA, ou par de bases, suficiente para distorcer um pouco da proteína e mudar a forma como ela funciona dentro das células cerebrais. Mas como testar isso?

Nossa abordagem foi usar enzimas de edição de genoma para converter o gene moderno NOVA1 em uma versão arcaica – para 'neandertalizar' o genoma humano moderno em células-tronco pluripotentes e gerar organoides cerebrais a partir delas. Curiosamente, podemos visualizar as diferenças na forma dos organoides que carregam as versões arcaica e moderna.

Organoide neandertalizado — Foto: Arquivo Pessoal/Alysson Muotri

A inspeção em nível molecular confirmou nossa hipótese: vários genes-alvo NOVA1 foram afetados, alterando a composição das sinapses. No nível funcional, observamos que as redes de organoides cerebrais que carregam a versão arcaica NOVA1 mostraram uma atividade maior em estágios iniciais.

As mudanças nas redes neurais nesses organoides cerebrais 'neandertalizados' são paralelas às habilidades rapidamente adquiridas observadas em recém-nascidos primatas quando comparados com recém-nascidos humanos. Um bebê chimpanzé pode ser mais esperto que um recém-nascido humano, mas isso muda à medida que nos desenvolvemos. Isso é altamente especulativo, mas nossos dados podem sugerir que a alteração do DNA no NOVA1 que todos carregamos agora em nossos genomas pode ser um ponto de virada na evolução humana, fornecendo um cérebro mais complexo e sofisticado ao custo do cuidado humano pós-natal, uma ideia provocativa e intrigante.

Por fim, essa tecnologia tem sido utilizada até fora da Terra. Em meados de 2019, nosso grupo enviou o primeiro lote de organoides do cérebro humano para a Estação Espacial Internacional (EEI). O objetivo desta e de outras missões espaciais é medir a influência do espaço sideral no cérebro humano.

O que aprendemos ao estudar os astronautas que viveram na Estação Espacial Internacional (EEI) por longos períodos é que a microgravidade e a radiação espacial podem ter um impacto negativo na fisiologia do corpo humano. Não evoluímos para estar no espaço, e talvez uma das consequências mais importantes da exposição seja o efeito sobre a cognição.

Compreender como as células do cérebro humano reagem a esse novo ambiente nos ajudará a projetar novas estratégias para mitigar os efeitos negativos das viagens espaciais de longo prazo e permitir a colonização interplanetária no futuro. A pesquisa também nos ensinará sobre o envelhecimento humano e nos ajudará a desenvolver melhores tratamentos para condições neurológicas, como o autismo e a doença de Alzheimer.

Semana passada firmamos um acordo com o governo brasileiro para incluir uma participação do Brasil nessa pesquisa, inclusive com a ida de um cientista brasileiro para a EEI executar esses experimentos pessoalmente. Esse projeto, ainda em construção, irá contar com a contribuição da comunidade cientifica brasileira, trazendo os frutos dessa pesquisa para nosso país.

Agora temos ferramentas para responder a muitos mistérios do cérebro humano e talvez algumas das questões filosóficas mais profundas que confrontam a humanidade. As ferramentas não são perfeitas e há muito espaço para melhorias. Ainda assim, mesmo com as abordagens que temos agora em mãos, é possível entender melhor como nosso cérebro funciona e aplicar esse conhecimento. Enquanto mantivermos nossos olhos e mentes abertos, esses minúsculos cérebros humanos estarão prontos para nos ensinar muito sobre nós mesmos e sobre nosso futuro como espécie.

SOBRE O AUTOR

*Dr. Muotri é brasileiro e professor titular da Escola de Medicina na Universidade da California em San Diego. É também diretor do Centro de Educação e Pesquisa Integrada de Células-tronco em Orbita. Fez faculdade de biologia pela UNICAMP e doutorado em genética pela USP-SP. Possui centenas de publicações cientificas nas maiores revistas de alto impacto e recebeu inúmeros prêmios decorrentes de suas descobertas.

 

Fonte: Por Dr. Alysson R. Muotri, Ph.D., para o g1