Os aclamados cientistas Richard Huganir e Patricia Janak lançam o OneNeuro, uma iniciativa interdisciplinar na Johns Hopkins para utilizar tecnologias emergentes e IA para finalmente decifrar o código do enigmático cérebro humano
É uma das maiores ironias da natureza: o cérebro humano não tem a capacidade de compreender sua própria complexidade.
De fato, o cérebro é complicado.
O órgão de três libras alojado em nossas cabeças consiste em aproximadamente 86 bilhões de neurônios. Cada neurônio se conecta a 10.000 outros neurônios, criando uma matriz aparentemente infinita de conexões sinápticas — estimadas em cerca de 100 trilhões — que nos tornam quem somos como indivíduos.
Apesar dos avanços dos neurocientistas na descoberta das complexidades do cérebro, muito permanece desconhecido, desde os mecanismos precisos envolvidos na formação da memória até o papel dos genes no desenvolvimento do cérebro.
Hoje, no entanto, os avanços em sondas neurais, aprendizado de máquina e inteligência artificial estão “revolucionando nossa compreensão do cérebro e tornando possível sondar a função cerebral de maneiras que nunca imaginamos ser possíveis antes”, diz o neurocientista Richard L. Huganir, da Johns Hopkins.
É por isso que Huganir e sua colega Patricia Janak, uma psicóloga biológica, se uniram para lançar o OneNeuro, uma iniciativa que reúne pesquisadores e profissionais de toda a universidade para ajudar a decodificar o complicado centro de controle entre nossos ouvidos.
“Nosso objetivo é chegar a uma compreensão completa do cérebro, desde o nível molecular até os níveis cognitivo e comportamental.”
Richard Huganir “Nosso objetivo é não parar em nada menos que uma compreensão completa do cérebro, do nível molecular aos níveis cognitivo e comportamental”, diz Huganir, um Bloomberg Distinguished Professor que dirige o Solomon H. Snyder Department of Neuroscience na Johns Hopkins School of Medicine e também é professor no Department of Psychological and Brain Sciences da JHU. “Isso não vai acontecer da noite para o dia, mas pode acontecer ao longo do tempo com as pessoas, tecnologias e sistemas organizacionais certos.”
Especificamente, o trabalho requer um foco em pesquisa básica com “especialização interdisciplinar e colaboração sem precedentes entre neurocientistas, engenheiros, cientistas da computação, cientistas de dados, neurologistas, neurocirurgiões, psiquiatras, cientistas cognitivos, psicólogos, filósofos e outros”, diz Janak, uma Bloomberg Distinguished Professor com nomeações na Escola de Medicina da JHU e na Escola de Artes e Ciências Krieger. A Johns Hopkins tem a expertise, ela acrescenta. É apenas uma questão de criar a estrutura e a sinergia para fazer isso acontecer.
“A iniciativa OneNeuro renova e reforça o compromisso de longa data da Johns Hopkins em desvendar os mistérios do cérebro humano”, diz o reitor Ray Jayawardhana. “Ao aproveitar a expertise coletiva de nossos neurocientistas, engenheiros, cientistas de dados e clínicos de classe mundial, estamos prontos para fazer avanços sem precedentes na compreensão da função cerebral e no desenvolvimento de terapias inovadoras. Esta iniciativa incorpora a essência da nossa visão da One University, promovendo a colaboração entre disciplinas para enfrentar um dos desafios mais complexos da ciência moderna.”
No momento, mais de 1.000 membros do corpo docente, bolsistas de pós-doutorado e alunos de graduação e pós-graduação da Johns Hopkins realizam pesquisas relacionadas à neurociência, seja em nível molecular, celular, de sistemas, comportamental, computacional ou clínico. Neurociência e engenharia biomédica são duas das cinco especializações mais populares para alunos de graduação da Hopkins.
A nova iniciativa cerebral se baseia na promessa do Johns Hopkins Kavli Neuroscience Discovery Institute, lançado em 2016 para promover parcerias entre neurocientistas, engenheiros e cientistas de dados que trabalham com o cérebro e o comportamento. O OneNeuro expande a colaboração para aproveitar a profunda experiência e os recursos da universidade em cuidados médicos relacionados ao cérebro e serviços de saúde mental — e descoberta orientada por dados por meio do recém-lançado Johns Hopkins Data Science and AI Institute.
Além disso, a Johns Hopkins adicionará seis novas posições de professores juniores em neurociência, além de seis novos Bloomberg Distinguished Professors com expertise tanto em neurociência quanto em outra disciplina, criando o Brain Resilience Across the Lifespan BDP Cluster. O talento adicional dos principais neurocientistas com experiência em pensar além dos limites de sua disciplina contribuirá significativamente para o OneNeuro, diz Huganir.
“O cérebro é uma das últimas grandes fronteiras da biologia”, diz Janak. “É um mistério e um grande desafio para o futuro, dado que terapias e tratamentos eficazes para muitos distúrbios cerebrais — tanto neurológicos quanto psiquiátricos — não existem atualmente. Isso cria uma lacuna enorme que estamos tentando preencher.”
Avanços na tecnologia são essenciais para fazer progresso, argumentam Janak e Huganir. Por exemplo, sondas neurais in vivo desenvolvidas na última década permitem que cientistas meçam a atividade cerebral com muito mais precisão — e em volume muito maior — do que nunca. Mas os conjuntos de dados recuperados por essas sondas “são grandes demais para humanos analisarem sem ajuda da ciência de dados e da IA”, diz Janak.
No laboratório de Janak, neurocientistas usam uma pequena sonda neural implantada em cérebros de ratos para investigar os mecanismos comportamentais e neurais do vício. “Essas sondas são um grande avanço para entender a função cerebral, incluindo coisas como aprendizado, memória e vício”, explica Janak. “Elas tornam possível registrar dados de centenas a milhares de neurônios ao mesmo tempo em animais acordados e comportados.”
Isso muda o jogo.
O engenheiro biomédico Tim Harris, professor pesquisador da Whiting School of Engineering da universidade, liderou a equipe que desenvolveu essas sondas por meio de sua função como diretor de física aplicada no Janelia Research Campus do Howard Hughes Medical Institute (HHMI) em Ashburn, Virgínia. Lá, a equipe de Harris criou a primeira dessas sondas, Neuropixels, em 2017 — um avanço que tornou possível para neurocientistas registrar simultaneamente a atividade celular em várias regiões do cérebro, tudo por meio de um minúsculo implante de silicone mais fino que um fio de cabelo humano. Agora, quase uma dúzia de laboratórios em Hopkins usam Neuropixels (e as várias iterações da tecnologia lançadas pelo HHMI) para fazer novas descobertas.
Janak e sua equipe usam as sondas para observar a “atividade neural em áreas do cérebro conhecidas por serem importantes no desejo por drogas, com o objetivo de identificar o que acontece quando os animais entram e saem de um estado de alta motivação por uma droga”, ela diz. As gravações neurais resultam em um tesouro de informações, com “toneladas de dados fluindo a cada segundo conforme os animais se movem, pensam, sentem e reagem a estímulos no ambiente”.
Mas dar sentido aos grandes e complexos conjuntos de dados não está dentro da alçada de muitos neurocientistas. “Isso requer expertise de programadores de computador, estatísticos, cientistas de dados e especialistas em IA”, diz Janak. “Em última análise, esse é o propósito do OneNeuro — promover e coordenar a colaboração em áreas necessárias para fazer o trabalho de avançar o conhecimento humano do cérebro.”
Huganir e Janak dizem que consideram a JHU uma universidade altamente colaborativa, “mas aqueles de nós envolvidos nos variados aspectos da pesquisa cerebral nem sempre se conhecem e percebem como nossos trabalhos se sobrepõem”, diz Huganir. Criar uma comunidade de pesquisadores, estagiários e profissionais com diferentes níveis e áreas de especialização é essencial e já é uma parte essencial do plano da OneNeuro.
“Estamos construindo uma comunidade única na Hopkins que é unificada em todas as escalas da pesquisa em neurociência, desde o nível mais granular, as moléculas, até como tudo se junta para dar suporte à mente.”
Patricia Janak “Estamos construindo uma comunidade única na Hopkins que é unificada em todas as escalas de pesquisa em neurociência, do nível mais granular, moléculas, até como tudo se junta para dar suporte à mente”, explica Janak. Dada a tarefa difícil, uma abordagem interdisciplinar que usa pesquisa básica para ajudar a decodificar o cérebro é um precursor necessário para a pesquisa transicional (ou aplicada) e desenvolvimento de tratamento que estão por vir, dizem Janak e Huganir. Isso, eles dizem, é um objetivo fundamental do OneNeuro.
Para construir tal comunidade, a OneNeuro oferece eventos para pesquisadores se encontrarem, conversarem e espalharem a conscientização sobre seu trabalho, incluindo uma série de palestrantes de seminários com palestrantes convidados da Johns Hopkins e de outras instituições. No início deste verão, JJ Kim, um candidato combinado de medicina e doutorado em neurociência matriculado no Programa de Treinamento de Cientistas Médicos da Johns Hopkins, apresentou seu trabalho sobre mio-optogenética, uma técnica que usa luz para manipular a atividade de neurônios e mover músculos.
Entre outros seminários do ano passado:
- Kellie Tamashiro e Frederick Barrett, professores do Departamento de Psiquiatria e Ciências Comportamentais da Faculdade de Medicina, discutiram a reação do cérebro à psilocibina psicodélica e seu uso no tratamento de transtornos de humor e uso de substâncias.
- Leyla Isik, cientista cognitiva da Escola Krieger, e Tomomi Karigo, neurocientista da Escola de Medicina, apresentaram sobre a percepção do cérebro sobre a interação social e a base neural subjacente às situações sociais.
- Amy Bastian, neurocientista, diretora científica e diretora do Centro de Estudos do Movimento do Instituto Kennedy Krieger, discutiu os distúrbios do movimento humano, e Andrew Gordus, biólogo da Escola Krieger, compartilhou descobertas sobre os mecanismos de teias de aranhas.
“A série de palestrantes da OneNeuro intencionalmente reúne pesquisadores de diferentes perspectivas para construir a comunidade coesa que sabemos ser crítica para nossa missão”, diz Huganir. E está funcionando.
Quando Bastian e Gordus apresentaram palestras sobre movimento, por exemplo, os dois ficaram animados ao descobrir semelhanças entre o movimento humano e o de aranhas e o controle motor. “Você pensaria que essas duas áreas não estariam relacionadas uma à outra, mas na verdade há muita sobreposição, e isso é interessante”, diz Huganir.
Após cada seminário, a OneNeuro organiza happy hours para dar aos palestrantes e participantes oportunidades de se encontrarem e conversarem em um ambiente casual. Já ao longo da série, “tive conversas incríveis, fiz novos amigos e colegas em potencial, e estamos fazendo uma média de duas novas colaborações por evento”, acrescenta Huganir.
Claro, garantir financiamento para pesquisa básica interdisciplinar é outro pré-requisito para o sucesso da OneNeuro — e está acontecendo, em parte graças a uma parceria com o Office of the Provost para fornecer financiamento por meio do Johns Hopkins Discovery Awards. Todo ano, pesquisadores afiliados à OneNeuro são bloqueados para receber três Discovery Awards, cada um totalizando $ 150.000, em vez da bolsa padrão de $ 100.000.
Os três para OneNeuro deste ano são:
- Um projeto que examina a regeneração de células ciliadas pela bióloga Erin Jimenez e pela neurocientista Angelika Doetzlhofer.
- Uma investigação dos biomarcadores do transtorno do espectro autista pela especialista em neurotoxicidade Lena Smirnova, pelo cientista pesquisador em pediatria Sarven Sabunciyan e pela neurologista e cientista pesquisadora Constance Smith-Hicks.
- Um estudo sobre necessidade e privação de sono pelo neurocientista Seth Blackshaw, pela especialista em microfluídica e engenheira mecânica Soojung Claire Hur e pelo neurocientista e neurologista Mark Wu.
Além disso, seis outras equipes conduzindo pesquisas relacionadas à neurociência receberam um Prêmio Discovery de 2024. Suas pesquisas abrangem desde a arquitetura neural de experiências psicodélicas até o uso de sondas neurais para fornecer insights sobre o loop dos gânglios corticoestriatais-basais, um sistema de circuitos neurais envolvidos em distúrbios do movimento como a doença de Parkinson e condições de saúde mental como o transtorno obsessivo-compulsivo.
De acordo com Huganir, “a abordagem exclusivamente interdisciplinar da OneNeuro para entender profundamente o cérebro é essencial para o desenvolvimento futuro de tratamentos para prevenir ou curar doenças cerebrais e otimizar a função cerebral em todos os humanos”.
Com tecnologias novas e emergentes e aprendizado de máquina na ponta dos dedos, além da ampla experiência existente e um fluxo de talentos de ponta por vir, a OneNeuro está preparada para fazer exatamente isso.
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