O Cérebro Simulado


Pesquisadores suíços participam de um desafio inédito: construir o Blue Brain, um supercornputador capaz de reproduzir em detalhes o funcionamento de uma das mais misteriosas criações da natureza.

Revista Scientific American - por Felix Schormann

Corno podemos descobrir como funciona o cérebro humano? O biólogo Henry Markram está convencido de que a melhor forma de fazer isso é construindo uma réplica do mais sofisticado - e ainda misterioso - órgão do corpo humano. Há aproximadamente 15 anos, ele estuda os componentes cerebrais elementares: as células neurais. Nos anos 90, estudou, junto com o fisiologista Bert Sakmann, ganhador do Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1991, no Instituto Max Planck de Pesquisas em Medicina, na Alemanha, como dois neurônios conectados se comunicam no tecido nervoso vivo por meio de seus pontos de contato. Markram descobriu na época que a sequência temporal dos impulsos estimulantes das duas células tem significado central. O atraso de poucos milissegundos de um potencial de ação já interrompe a comunicação elétrica dentro de redes biológicas de células neurais.

Em 2002, o pesquisador fundou o Instituto Brain Mind na Escola Po­litécnica Federal de Lausanne (École Polytechnique Fédérale Lausanne, EPFL), na Suíça, para se dedicar totalmente ao estudo da estrutura, função e plasticidade do córtex cerebral. Para tanto, trabalhou com ratos e se con­centrou inicialmente no córtex primário somatossensório (região cerebral à qual chegam sinais de contato e outras informações vindas da superfície do corpo, onde são submetidas à primeira análise).

Assim como todo córtex cerebral, essa região também é constituída por seis camadas de tecido nervoso. Ele é tão condensado que, em um volume de um milímetro cúbico - o que corresponde aproximadamente a uma cabeça de alfinete -, podem ser encontrados corpos celulares de cerca de 10 mil neurônios. Seus prolongamentos são conectados por meio de milhões de contatos, as sinapses, através das quais as células trocam informações. As unidades funcionais dessa grandeza do córtex cerebral - comparáveis, por exemplo, aos microprocessadores de um com­putador - também são conhecidas como "colunas corticais".

Markram e seus colaboradores começaram a examinar detalha­damente os processos elétricos e moleculares entre as células neurais. Para tanto, utilizaram os chamados equipamentos Patch-clamp, com os quais é possível registrar concomi­tantemente os impulsos elétricos individuais de até 12 neurônios. Os dados assim obtidos formaram a base do projeto Blue Brain, com a qual começamos em 2005 a colocar em prática a audaciosa ideia de cons­truir um modelo de computador de uma coluna cortical, o mais próximo da realidade possível, que refletisse os processos biológicos reais até o nível celular.

• Medição automática

Cada uma das 10 mil células neurais de uma coluna tem uma caracterís­tica própria: os seus prolongamen­tos e ramificações determinam sua forma única, e milhões de canais de íons ao longo da membrana ce­lular definem seu comportamento elétrico. A isso, acrescentam-se as ligações sinápticas entre cada um dos neurônios que constantemente se fortalecem, enfraquecem, for­mam-se de novo ou desaparecem - sempre de acordo com o input que a célula recebe. Todos esses detalhes precisam ser considerados para que seja criado um modelo realmente fiel à realidade.

Por isso, uma parte de nosso grupo continua analisando os pro­cessos celulares que ocorrem dentro de uma coluna cortical (unidade de processamento no córtex, formada por um conjunto de neurônios conectados) com ajuda dos equi­pamentos Patch-clamp. A técnica, criada por Erwin Neher e Bert Sak­mann, em 1976, revolucionou o es­tudo fisiológico dos neurônios. Para utilizá-Ia, o pesquisador recorre a um microeletrodo, que monitora a atividade elétrica das células neurais e a reproduz em microssegundos, fornecendo constantemente novas informações, que são introduzidas no modelo. Além disso, usamos um sistema automático que estuda as características dos cerca de 200 canais de íons que existem nas cé­lulas cerebrais.

Todo esse fluxo de dados ali­menta um supercomputador Blue­ Gene/L da IBM, que consegue processar 22,4 teraflops - 22,4 tri­lhões das chamadas de "operações de ponto flutuante" por segundo. A imensa capacidade lhe permite projetar os detalhes celulares de todos os componentes de uma coluna cortical ao mesmo tempo. Para tanto, porém, o computador teve de ser primeiramente adap­tado e programado - essa foi a tarefa que tomou mais tempo do time do Blue Brain. Com o apoio de nossa parceira de cooperação estratégica, a IBM, desenvolvemos programas que, por exemplo, pos­sibilitam reunir rapidamente todos os dados disponíveis sobre uma única célula neural - como sua aparência, suas características elé­tricas e sua configuração genética - e desenvolver um modelo com base neles. Quanto mais dados biológicos estiverem disponíveis, mais fácil será para o software.

• Medicamento virtual

Nosso supercomputador calcula constantemente a atividade dos ca­nais de íons simulados em diversos trechos de cada neurônio virtual. Somente isso permite a reprodução acurada da atividade de uma célula cerebral real. Inversamente, é pos­sível testar o trabalho do computa­dor por meio de uma comparação com os dados biológicos, para que o modelo seja então ajustado, pois a sua qualidade é medida pela exatidão com que um experimento de laboratório pode ser repetido no computador.

No final de 2007, a primeira fase do projeto Blue Brain foi finalizada. Havíamos desenvolvido um proce­dimento que nos permitia reunir dados detalhados em um modelo de coluna cortical com todos os diversos tipos de células neurais conhecidos dos experimentos laboratoriais. Hoje, também sabe­mos com exatidão quais dados são especialmente úteis e necessários para tanto. Atualmente, nosso mo­delo descreve desde um excerto do córtex com grande detalhamento e exatidão de cada um dos canais de íons até a atividade de fragmentos inteiros do tecido neura!. Assim, o Blue Brain é a primeira mostra bem­ sucedida de que a pesquisa com base em simulações também pode se estabilizar nas neurociências.

Naturalmente, ainda há um longo caminho a ser percorrido no estudo do tecido cerebral virtual de milímetros cúbicos, com todos os detalhes celulares, até a compreensão da complexa bioquímica molecular do cérebro humano inteiro: somente a quantidade de neurônios é aproximadamente 10 milhões de vezes maior do que a de nosso modelo. No entanto, em alguns anos o projeto Blue Brain poderia oferecer a cientistas e mé­dicos um laboratório virtual no qual seria possível pesquisar as causas de doenças neurológicas e a eficácia de novos medicamentos - exclusi­vamente no computador. Com isso, a simulação não apenas facilitaria o entendimento do sofisticado sistema cerebral, mas também ajudaria a evi­tar experimentos com animais.

• Próximos passos

O grupo de trabalho de Henry Markram empenha-se atualmente tanto em aprofundar as pesquisas moleculares quanto em utilizar os métodos já estabelecidos para investigar outras regiões cerebrais. O modelo de um sistema neural completo de ratazana deve abrir novas possibilidades para testar teorias sobre aprendizado, memória e doenças neurológicas. O objetivo a longo prazo é a integração de todo o conhecimento sobre o cérebro humano em um modelo de computador, que ficará disponível­ mundialmente como fonte de pesquisa.

Para saber mais

The Blue Brain Project. H. Markram, em Nature Reviews Neuroscience 7, págs. 153-160,2006.
Como nascem os neurônios. Paola Emilia Cicerone. Especial Mente&Cérebro, nº 19, págs. 20-25.
A queda dos mitos. Scott O. lilienfeld e Hal Arkowitz. Especial Mente&Cérebro, nº 19, págs. 80-82.

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