Ferramenta de IA inovadora cria mapa 3D do cérebro

Esta nova ferramenta baseada em IA, financiada por bolsas de investigação do National Institutes of Health, aproxima os cientistas de uma compreensão mais abrangente do papel do metabolismo na doença de Alzheimer e noutras doenças neurodegenerativas. Isto poderá abrir novas possibilidades para a descoberta de tratamentos específicos.

Na revista Nature Metabolism, uma equipa de investigadores liderada por Ramon Sun, Ph.D., relata como desenvolveu a sua inovadora ferramenta MetaVision3D utilizando o supercomputador HiPerGator da UF. Para provar o princípio, criaram um atlas 3D interativo dos cérebros de ratos normais e de modelos de ratos com Alzheimer e doença de Pompe, uma doença genética rara. O laboratório de Sun disponibilizou publicamente a sua base de dados e o seu servidor Web para apoiar o campo crescente de cientistas que estudam as ligações entre o metabolismo e a mente.

"Com a nossa metodologia, podemos mapear milhares de moléculas no cérebro e identificar exatamente onde se encontram em cada região cerebral. Isto não tem precedentes", afirmou Sun, diretor do Centro de Investigação Avançada de Biomoléculas Espaciais e diretor associado para a inovação no Instituto do Cérebro McKnight da UF. "Não o poderíamos ter feito sem o financiamento dos NIH. Estes fundos irão apoiar os nossos esforços para descobrir as causas metabólicas da doença de Alzheimer e abrir caminho a novas intervenções para prevenir e tratar esta doença devastadora".

Os utilizadores online podem explorar cada secção de tecido na reconstrução 3D, que ilumina complexidades não visíveis nos mapas 2D tradicionais, fornecendo novos conhecimentos sobre o metabolismo celular - que é influenciado pela dieta, exercício e genética - bem como sobre os mecanismos da doença.

"No Google Earth, posso fazer zoom numa cidade e ver o aspeto de uma casa, o aspeto da rua, os carros que lá estão. É esse o nível de resolução que proporcionámos para o cérebro do rato neste espaço tridimensional e a forma como se altera na doença", disse Sun, também professor associado do Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular da Faculdade de Medicina da UF, que faz parte da UF Health. "É possível explorar e estudar moléculas que afectam o pensamento, a memória e a saúde do cérebro, incluindo as que estão envolvidas em doenças neurodegenerativas. É possível obter imagens de todas as moléculas diferentes e ver como estão organizadas e distribuídas nas estruturas finas do cérebro".

Para dar o salto da imagem 2D para a imagem 3D - que Sun compara ao salto tecnológico dos telemóveis flip para os smartphones - o seu laboratório digitalizou 79 fatias de cérebro, uma camada fina de cada vez, com um dispositivo de imagem de alta tecnologia que identifica e conta moléculas como as gorduras e os hidratos de carbono, nutrientes importantes para o funcionamento do cérebro.

"Depois usámos a IA para alinhar e empilhar estas imagens e reconstruir todo o metaboloma do cérebro", disse Xin Ma, primeiro autor do estudo e estudante de doutoramento em bioestatística, que é supervisionado por Sun e Li Chen, Ph.D., M.S. O metaboloma é um conjunto de milhares de moléculas que fornecem energia para o funcionamento do cérebro.

Como passo seguinte, os investigadores, juntamente com Sara Burke, Ph.D., diretora do Centro de Investigação Clínica Translacional em Envelhecimento Cognitivo e Memória da UF, mapearam a anatomia para a correlacionar com as moléculas e utilizaram métodos matemáticos para verificar uma precisão de 95 a 99 por cento, disse Sun.

No futuro, os investigadores poderão combinar a ferramenta de mapeamento com técnicas estabelecidas de imagiologia por ressonância magnética e análises genéticas para desenvolver tratamentos que visem precisamente áreas específicas do cérebro, ao contrário dos tratamentos actuais que podem afetar partes do cérebro que não estão doentes.

"Para a prevenção e tratamento de doenças, abrimos um novo ponto de vista para os biólogos", afirmou Chen, coautor do estudo e professor associado do Departamento de Bioestatística da Faculdade de Saúde Pública e Profissões da Saúde da UF.