Estudar em profundidade o funcionamento do cérebro é um desafio, porque um cérebro vivo não se deixa manipular e analisar com facilidade. Ainda assim, os cientistas passaram a contar com uma nova referência: uma simulação do cérebro de um rato, entre as mais completas alguma vez produzidas.
Uma simulação do córtex do rato para compreender melhor o cérebro
O desenvolvimento foi coordenado por uma equipa do Instituto Allen, nos EUA, em colaboração com a Universidade de Eletrocomunicações, no Japão. Este modelo poderá ajudar a representar e investigar com mais pormenor doenças como a Alzheimer.
O sistema simula todo o córtex de um rato. Embora esteja longe da dimensão e da complexidade do cérebro humano - que inclui milhares de milhões de neurónios - existem semelhanças relevantes entre cérebros de roedores e humanos, o que faz deste modelo uma ferramenta útil para investigação.
Escala do cérebro virtual: 9 milhões de neurónios e 26 mil milhões de sinapses
Os valores envolvidos impressionam: o cérebro virtual integra 9 milhões de neurónios e 26 mil milhões de sinapses (as ligações entre neurónios). A simulação inclui 86 regiões interligadas e consegue executar quadriliões de cálculos por segundo.
Para comparação, o cérebro completo e real de um rato tem aproximadamente 70 milhões de neurónios, concentrados num volume com cerca do tamanho de uma amêndoa.
"Isso mostra que a porta está aberta", afirma o neurocientista computacional Anton Arkhipov, do Instituto Allen. "Conseguimos executar este tipo de simulações cerebrais de forma eficaz com poder de computação suficiente."
"É um marco técnico que nos dá confiança de que modelos muito maiores não só são possíveis, como também alcançáveis com precisão e escala."
O que esta simulação permite observar no cérebro do rato
A elevada complexidade do modelo permite aos investigadores acompanhar como representações de cognição, consciência e doença se propagam no cérebro. Trata-se de um mapa tridimensional e dinâmico, no qual é possível ver neurónios individuais a disparar e a estabelecer ligações.
Segundo a equipa, uma aplicação possível passa por testar hipóteses sobre a forma como as crises epiléticas se espalham no cérebro, ou de que modo as ondas cerebrais contribuem para a capacidade de concentração - tudo isto sem exigir exames cerebrais físicos repetidos e invasivos.
Fugaku e o novo software por trás dos cálculos
O poder de computação necessário foi fornecido pelo supercomputador Fugaku, no Japão, que aproveitou bases de dados e cartografias celulares já existentes para construir o modelo. Além disso, a equipa criou novo software para processar a atividade cerebral de forma mais eficiente e reduzir ao mínimo os cálculos desnecessários.
"O Fugaku é utilizado para investigação numa vasta gama de áreas da ciência computacional, como astronomia, meteorologia e descoberta de fármacos, contribuindo para a resolução de muitos problemas sociais", explica o cientista informático Tadashi Yamazaki, da Universidade de Eletrocomunicações.
"Nesta ocasião, utilizámos o Fugaku para uma simulação de circuitos neuronais."
Porque os mapas cerebrais virtuais são importantes
O cérebro é fundamental para a saúde física e mental e para um envelhecimento saudável. Por isso, estudos com mapas cerebrais virtuais e estruturas de mini-cérebros serão essenciais para compreender melhor como este órgão funciona e de que forma pode degradar-se.
A equipa já está a aplicar o novo modelo e relata descobertas relacionadas com a sincronização de ondas cerebrais e com a maneira como os dois hemisférios do cérebro do rato interagem entre si.
O feito combina computação de alto desempenho com modelação biológica avançada, mas os investigadores ambicionam ir ainda mais longe: no futuro, pretendem construir um modelo completo de um cérebro humano num espaço virtual de computação.
"O nosso objetivo a longo prazo é construir modelos de cérebro completo, eventualmente até modelos humanos, utilizando todos os detalhes biológicos que o nosso Instituto está a revelar", afirma Arkhipov. "Estamos agora a passar de modelar áreas cerebrais isoladas para simular todo o cérebro do rato."
O trabalho foi apresentado na conferência de supercomputação SC25 e está disponível online.
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