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Os cientistas usam o aprendizado de máquina para prever cheiros com base na atividade cerebral em vermes
A equipe de Chalasani decidiu estudar como os neurônios de C. elegans reagem ao cheirar cada um dos cinco produtos químicos diferentes: benzaldeído, diacetil, álcool isoamílico, 2-nonanona e cloreto de sódio.
Por Salk Institute - 20/11/2021


Os neurônios do verme funcionam de maneira diferente ao saborear o sal. Cada círculo representa um neurônio e as conexões entre os círculos são sinapses. Os cientistas usaram a teoria dos gráficos para agrupar alguns neurônios em módulos, que são identificados por suas cores. O número de módulos foi reduzido para 5 (de 7) quando o estímulo do sal foi apresentado ao verme. Isso significa que esses neurônios são particularmente importantes quando o animal prova o sal. Crédito: Salk Institute

Parece um truque de festa: os cientistas agora podem observar a atividade cerebral de um minúsculo verme e dizer que substância química o animal cheirou alguns segundos antes. Mas as descobertas de um novo estudo, liderado pelo Professor Associado Salk Sreekanth Chalasani, são mais do que apenas uma novidade; eles ajudam os cientistas a entender melhor como o cérebro funciona e integra as informações.

"Encontramos algumas coisas inesperadas quando começamos a olhar para o efeito desses estímulos sensoriais em células individuais e conexões dentro dos cérebros dos vermes", diz Chalasani, membro do Laboratório de Neurobiologia Molecular e autor sênior do novo trabalho, publicado no jornal PLOS Computational Biology em 9 de novembro de 2021.

Chalasani está interessado em como, em nível celular , o cérebro processa as informações do mundo externo. Os pesquisadores não podem rastrear simultaneamente a atividade de cada um dos 86 bilhões de células cerebrais em um ser humano vivo - mas podem fazer isso no verme microscópico Caenorhabditis elegans , que tem apenas 302 neurônios . Chalasani explica que em um animal simples como C. elegans , os pesquisadores podem monitorar neurônios individuais enquanto o animal realiza ações. Atualmente, esse nível de resolução não é possível em humanos ou mesmo em camundongos.

A equipe de Chalasani decidiu estudar como os neurônios de C. elegans reagem ao cheirar cada um dos cinco produtos químicos diferentes: benzaldeído, diacetil, álcool isoamílico, 2-nonanona e cloreto de sódio. Estudos anteriores mostraram que o C. elegans pode diferenciar esses produtos químicos, que, para os humanos, têm um cheiro semelhante ao de amêndoa, pipoca com manteiga, banana, queijo e sal. E embora os pesquisadores conheçam as identidades do pequeno punhado de neurônios sensoriais que sentem diretamente esses estímulos, o grupo de Chalasani estava mais interessado em como o resto do cérebro reage.

Os pesquisadores projetaram o C. elegans para que cada um dos 302 neurônios contivesse um sensor fluorescente que acenderia quando o neurônio estivesse ativo. Em seguida, eles observaram sob um microscópio enquanto expunham 48 vermes diferentes a repetidas explosões dos cinco produtos químicos. Em média, 50 ou 60 neurônios ativados em resposta a cada substância química .
 
Observando as propriedades básicas dos conjuntos de dados - como quantas células estavam ativas em cada ponto no tempo - Chalasani e seus colegas não conseguiram diferenciar imediatamente entre os diferentes produtos químicos. Então, eles se voltaram para uma abordagem matemática chamada teoria dos gráficos , que analisa as interações coletivas entre pares de células: Quando uma célula é ativada, como a atividade de outras células muda em resposta?

Esta abordagem revelou que sempre que C. elegans foi exposto a cloreto de sódio (sal), houve primeiro uma explosão de atividade em um conjunto de neurônios - provavelmente os neurônios sensoriais - mas, cerca de 30 segundos depois, tripletos de outros neurônios começaram a coordenar fortemente suas atividades. Esses mesmos trigêmeos distintos não foram vistos após os outros estímulos, permitindo aos pesquisadores identificar com precisão - com base apenas nos padrões do cérebro - quando um verme foi exposto ao sal.

" C. elegans parece ter atribuído um alto valor à detecção de sal, usando uma configuração de circuito completamente diferente no cérebro para responder", diz Chalasani. "Isso pode ser porque o sal geralmente representa bactérias, que são o alimento para o verme."

Em seguida, os pesquisadores usaram um algoritmo de aprendizado de máquina para localizar outras diferenças mais sutis em como o cérebro respondia a cada uma das cinco substâncias químicas. O algoritmo foi capaz de aprender a diferenciar a resposta neural ao sal e ao benzaldeído, mas frequentemente confundia os outros três produtos químicos.

"Qualquer que seja a análise que tenhamos feito, é um começo, mas ainda estamos obtendo apenas uma resposta parcial sobre como o cérebro discrimina essas coisas", disse Chalasani.

Ainda assim, ele aponta que a forma como a equipe abordou o estudo - olhando para a resposta de toda a rede do cérebro a um estímulo e aplicando a teoria dos gráficos, em vez de apenas se concentrar em um pequeno conjunto de neurônios sensoriais e se eles estão ativados - abre o caminho para estudos mais complexos e holísticos de como os cérebros reagem aos estímulos.

O objetivo final dos pesquisadores, é claro, não é ler as mentes de vermes microscópicos, mas obter uma compreensão mais profunda de como os humanos codificam informações no cérebro e o que acontece quando isso dá errado em distúrbios de processamento sensorial e condições relacionadas, como ansiedade , transtornos de déficit de atenção e hiperatividade (TDAH), transtornos do espectro do autismo e outros.

Os outros autores do novo estudo foram Saket Navlakha do Cold Spring Harbor Laboratory e Javier How da UC San Diego.

 

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