Mapeamento de Sinapses para Tratamentos Personalizados de Medicamentos Alcança Avanço

Existem até 86 bilhões de neurônios no cérebro humano. Eles formam trilhões de conexões sinápticas, com cada neurônio se conectando a outros neurônios para criar uma rede complexa.

É através da sinalização sináptica que os neurônios se comunicam entre si nas sinapses, que são junções onde os neurônios podem excitar ou inibir outros neurônios.

Uma conexão sináptica, por sua vez, é a junção entre neurônios onde eles se comunicam usando sinais elétricos e químicos. O mapeamento das conexões sinápticas é um processo de identificar exatamente como os neurônios estão conectados entre si e quão fortes são essas conexões. Acredita‑se que a estrutura dessas conexões determine a função cerebral, tornando esse processo extremamente importante.

No entanto, o mapeamento e a caracterização das conexões sinápticas ainda são um desafio aberto. Atualmente, estamos limitados ao mapeamento de apenas algumas centenas de conexões sinápticas. Contudo, o estudo mais recente de pesquisadores de Harvard expandiu isso para mais de 70.000 com precisão, representando um grande avanço no campo da neurociência, particularmente na gravação neuronal.

O mapeamento e o catalogamento nessa escala foram alcançados a partir de cerca de 2.000 neurônios de rato com a ajuda de um chip de silício com eletrodos microfuro que podem detectar simultaneamente sinais sinápticos pequenos, porém notáveis.

Tal avanço pode nos ajudar a criar um mapa detalhado das conexões sinápticas e nos permitir entender melhor como os neurônios se conectam e se comunicam.

O estudo intitulado “Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array” foi publicado¹ na Nature Biomedical Engineering este mês.

A paralelização da gravação intracelular neuronal em grande escala, de acordo com o estudo, é um grande desafio que deve ser superado, pois permite medir sinais sinápticos em toda uma rede neuronal, o que, por sua vez, possibilita o mapeamento e a caracterização das conexões sinápticas.

Escalando a Gravação Neuronal com Inovação Avançada de Chip

Para a visualização das estruturas sinápticas, a microscopia eletrônica (EM) tem se mostrado altamente eficaz, mas não pode medir a força das conexões neuronais. Isso limita a capacidade da técnica de explicar a funcionalidade das redes neuronais.

É aqui que a gravação patch-clamp entra, oferecendo uma técnica mais precisa para estudar a atividade sináptica, pois pode perfurar neurônios individuais e capturar até sinais fracos com alta sensibilidade.

Os cientistas Erwin Neher e Bert Sakmann receberam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1991 pela técnica patch-clamp. O dispositivo experimental comprovou a existência e a função dos canais iônicos na condução de tarefas importantes em células vivas, como contração muscular e transmissão de impulsos nervosos. A técnica também permitiu que características chave dos canais fossem definidas com precisão fina.

Embora este método possa ajudar os pesquisadores a identificar e medir a força das conexões, os cientistas têm tido dificuldade em registrar sinais intracelulares de mais de alguns neurônios simultaneamente, até agora.

Liderado pelo co‑autor sênior Donhee Ham, professor de Engenharia e Ciências Aplicadas na Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), os pesquisadores deste departamento, bem como do Departamento de Química e Biologia Química de Harvard, construíram um chip avançado.

Mais precisamente, a equipe construiu uma matriz de 4.096 eletrodos microfuro em um chip. Este dispositivo realizou a gravação intracelular massivamente paralela de cerca de 2.000 neurônios de rato.

Isso forneceu aos pesquisadores abundantes dados sobre sinais sinápticos, dos quais extraíram mais de 70.000 conexões sinápticas.

O trabalho, na verdade, baseia‑se no dispositivo inovador que a equipe desenvolveu alguns anos atrás. Na época, uma matriz de 4.096 eletrodos nanagulha verticais protrudia de um chip de silício com o mesmo design de circuito integrado.

O chip eletrônico apresentava uma densa matriz de eletrodos de escala nanométrica, verticalmente posicionados e revestidos com pó de platina (para melhorar a capacidade de passagem de sinal) em sua superfície.

Nesse dispositivo, um neurônio podia envolver a agulha para permitir a gravação intracelular, paralelizada por meio de um grande número de eletrodos. Na época, a equipe conseguiu registrar mais de 1.700 neurônios de rato e mapear mais de 300 conexões sinápticas.

Os números alcançados foram recordes, mas a equipe sentiu que poderia melhorá‑los ainda mais, daí o estudo mais recente.

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Revolucionando a Gravação Intracelular para o Mapeamento de Conectividade

Com apoio do Samsung Advanced Institute of Technology da Samsung Electronics, a equipe projetou e fabricou a matriz de eletrodos microfuro de platina/platina‑preta no chip de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS).

A matriz foi operada para abrir suavemente as células injetando pequenas correntes através dos eletrodos, paralelizando sua gravação intracelular.

A eletrônica integrada no chip de silício, segundo o co‑autor principal do estudo e ex‑pesquisador pós‑doutoral Woo‑Bin Jung, atualmente professor na Pohang University of Science and Technology, Coreia do Sul, “desempenha um papel tão importante quanto o eletrodo microfuro, fornecendo correntes suaves de forma elaborada para obter acesso intracelular e, ao mesmo tempo, registrar os sinais intracelulares.”

O design de microfuro usado aqui, por sua vez, é semelhante ao eletrodo patch‑clamp. Esses eletrodos microfuro têm dois benefícios principais:

1. São muito mais fáceis de fabricar
2. Eles se acoplam ao interior dos neurônios melhor do que os eletrodos nanagulha verticais que a equipe usou anteriormente

“Essa acessibilidade é outra característica importante do nosso trabalho.”

– Jun Wang, Pesquisador Pós‑Doutoral e Co‑autor Principal 

Com este novo design, a equipe conseguiu resultados excelentes. Em média, 90% dos eletrodos microfuro (mais de 3.600 de 4.096) foram integrados intracelularmente, o que ajudou a equipe a extrair 70.000 conexões sinápticas plausíveis, muito mais do que os 300 obtidos com a matriz de eletrodos nanagulha.

A equipe não obteve apenas resultados quantitativos, mas também alcançou qualidade em seus dados de gravação, o que lhes permitiu classificar as conexões sinápticas de acordo com suas forças e características.

As conexões sinápticas foram catalogadas em conexões sinápticas elétricas e excitadoras fortes/eventuais, excitadoras fracas/sem eventos e inibitórias químicas, com uma taxa de erro estimada em 5%.

De acordo com o estudo, o mapeamento da conectividade sináptica em um nível tão extenso, bem como a capacidade de identificar conexões sinápticas, representa um grande passo rumo ao mapeamento da conectividade funcional de redes neuronais em larga escala.

Em sua versão anterior, os pesquisadores usaram o chip de alto desempenho para calcular os efeitos dos fármacos nas conexões sinápticas. Na época, a equipe afirmou que estava construindo um sistema em escala de wafer para testes de medicamentos para distúrbios neurológicos como dependência, autismo, doença de Alzheimer, doença de Parkinson e esquizofrenia.

O mapeamento da rede sináptica biológica também pode fornecer uma nova estratégia para a inteligência de máquinas construir redes neurais artificiais de próxima geração e processadores neuromórficos.

Agora que a equipe obteve insights sobre as conexões sinápticas a partir da enorme quantidade de dados obtidos com a gravação intracelular paralela, eles estão “trabalhando em um novo design que possa ser implantado em um cérebro vivo.”

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Avanços no Mapeamento Cerebral e Neurotecnologia

Estudos como este são cruciais para aprofundar nossa compreensão das intrincadas conexões sinápticas do cérebro, revelando não apenas a complexidade das interações neuronais, mas também fornecendo uma base para pesquisas avançadas em mapeamento cerebral, um dos muitos desenvolvimentos empolgantes que moldam o futuro da pesquisa cerebral.

O cérebro, afinal, é uma estrutura interessante porém complexa, tornando‑a um campo de interesse crescente entre pesquisadores e instituições. Curiosamente, quanto mais estudamos e conhecemos nossos cérebros, mais complexos eles se tornam. Como Jeff Lichtman, professor de biologia molecular e celular em Harvard, observou, simplesmente descrever a natureza revelou:

“[Que o cérebro é] mais complicado do que pensávamos.”

Há mais de uma década, Lichtman tem acessado uma área específica (um milímetro cúbico) do córtex cerebral para criar um mapa detalhado das conexões no cérebro humano. No final do ano passado, a Harvard Magazine relatou sua análise que descobriu que as células gliais que suportam e protegem os neurônios as dominam em uma proporção de 2 para 1. No entanto, ainda não foi encontrada uma explicação para isso.

Ele e seus colegas também observaram algumas conexões muito fortes com muitas sinapses para cada célula, permitindo que a informação flua pelo cérebro muito rapidamente, o que, segundo eles, “talvez… o que são as memórias.”

Para isso, eles usaram tecido do lobo temporal de uma mulher e o dividiram em mais de 5.000 seções, cada uma escaneada com um microscópio eletrônico multifeixe construído especificamente, em altíssima resolução.

Pesquisadores do Google então criaram novos métodos de redes neurais para identificar itens em cada uma dessas fatias e combiná‑las para criar um espaço 3D. A amostra do tamanho de uma semente que eles imaginaram continha 57.000 células, 230 milímetros de vasos sanguíneos e 150 milhões de sinapses.

Lichtman pretende agora mapear todo o cérebro de um camundongo, já que isso ainda não é possível no cérebro humano. Enquanto isso, uma equipe de cientistas de Princeton mapeou o cérebro de uma mosca da fruta adulta.

Anteriormente, os pesquisadores mapearam o cérebro de uma mosca da fruta larval com 3.000 neurônios, mas a mosca da fruta adulta possui quase 140.000 neurônios e dezenas de milhões de sinapses que os conectam. O mapa foi construído usando 21 milhões de imagens do cérebro da mosca da fruta e um modelo de IA. Com a ajuda desse plano, os pesquisadores pretendem responder quais neurônios são responsáveis por quais comportamentos.

O cérebro humano, como afirmou John Ngai, diretor da Iniciativa BRAIN dos Institutos Nacionais de Saúde dos EUA, “é mais poderoso que qualquer computador feito pelo homem”, em muitos aspectos, “mas, em grande parte, ainda não compreendemos sua lógica subjacente.”

E se não tivermos “uma compreensão detalhada de como os neurônios se conectam uns com os outros, não teremos uma compreensão básica do que funciona corretamente em um cérebro saudável ou o que falha em doença.”

É por isso que há um foco crescente em tentar mapear nossos cérebros. Cientistas do Instituto de Pesquisa do Centro de Saúde da Universidade McGill realmente implementaram um método chamado “optomapping” este mês para acelerar drasticamente o estudo dos neurônios.

A equipe já testou mais de 30.000 conexões candidatas e caracterizou cerca de 1.800 sinapses no córtex visual do cérebro de camundongo.

Descobertas‑chave feitas usando optomapping incluem padrões de conexão únicos em diferentes tipos de neurônios inibitórios, o que desafia o que sabíamos sobre o processo de fluxo de informação nas camadas corticais do cérebro. Eles também demonstraram o delicado equilíbrio dos padrões de comunicação do cérebro, com algumas conexões amplificando sinais e outras atenuando‑os.

Além disso, observaram um desequilíbrio em como diferentes tipos de neurônios são ativados, o que pode ajudar em condições como autismo e epilepsia. Ao identificar mudanças, o Optomapping pode levar a tratamentos mais direcionados e eficazes.

Curiosamente, neste mês, a gigante tecnológica Meta Platforms (META ) anunciou que desenvolveu um dispositivo que permite às pessoas produzir texto apenas com o pensamento. Para isso, foram usados um scanner cerebral e um modelo de IA chamado Brain2Qwerty para decodificar a linguagem do cérebro sem cirurgia.

Entretanto, as chances de o produto se tornar comercial são muito baixas devido a várias restrições. Por exemplo, o scanner de magnetoencefalografia usado para detectar sinais magnéticos é extremamente grande, pesa cerca de meia tonelada e é caro, custando US$ 2 milhões. Ele também funciona apenas em uma sala blindada para atenuar o campo magnético da Terra.

Mas isso certamente pode ajudar a avançar nossa compreensão do cérebro humano e da comunicação.

“Tentar entender a arquitetura ou os princípios precisos do cérebro humano pode ser uma forma de orientar o desenvolvimento da inteligência de máquinas. Esse é o caminho.”

– Jean‑Rémi King, líder da equipe Brain & AI da Meta, disse ao Tech Review. 

Os resultados mostram que o sistema pode detectar quais teclas um digitador “habilidoso” pressionaria com uma precisão de até 80%. Embora não seja perfeito, os pesquisadores disseram que é suficientemente preciso para construir frases completas a partir de sinais cerebrais.

Esses desenvolvimentos, provenientes de uma empresa com capitalização de mercado de US$ 1,76 trilhão, que está principalmente envolvida em mídia social e IA, podem parecer surpreendentes para alguns, mas a Meta está envolvida em pesquisas de neurotecnologia há muitos anos.

Além disso, ao contrário de empresas focadas exclusivamente em neurotecnologia, a Meta é lucrativa, o que significa que pode investir em pesquisas relacionadas sem se preocupar com recursos.

Para contextualizar, a empresa relatou recentemente seus resultados do quarto trimestre, que mostraram um aumento de 21% ano a ano na receita, atingindo US$ 48,39 bilhões. Afinal, uma média de 3,35 bilhões de usuários ativos diários (DAP) utilizou seus produtos. Nesse período, a Meta registrou US$ 25,02 bilhões em custos e despesas e US$ 14,84 bilhões em despesas de capital, enquanto seu fluxo de caixa livre foi de US$ 13,15 bilhões, e o caixa, equivalentes de caixa e valores mobiliários eram US$ 77,81 bilhões. Também anunciou um investimento de cerca de US$ 60‑65 bilhões em IA este ano.

Empresas que Avançam Neste Espaço

Agora, vamos dar uma olhada em empresas públicas proeminentes que estão fazendo avanços significativos na área.

1. Neuronetics, Inc. (STIM )

Esta empresa de tecnologia médica desenvolve produtos para pacientes que sofrem de transtornos neuropsicológicos. Seu NeuroStar Advanced Therapy System é um tratamento não invasivo que utiliza estimulação magnética transcraniana (TMS) para estimular áreas do cérebro associadas ao humor. É usado para tratar pacientes adultos com transtorno depressivo maior (MDD). 

Com uma capitalização de mercado de US$ 267 milhões, as ações STIM estão sendo negociadas a US$ 4,80 neste momento, um aumento impressionante de 198,14% no ano. Seu EPS (TTM) é -1,22 e seu P/E (TTM) é -3,94.

No terceiro trimestre de 2024, a Neuronetics reportou US$ 18,5 milhões em receita, um prejuízo líquido de US$ 13,3 milhões e uma queda na posição de caixa para US$ 20,9 milhões, de US$ 59,7 milhões no final de 2023. Nesse período, a empresa enviou 48 sistemas NeuroStar nos EUA, e sua receita atingiu US$ 4,1 milhões, enquanto as sessões de tratamento cresceram 2%.

A Neuronetics também adquiriu a Greenbrook TMS, o que se espera acelerar seu caminho para a lucratividade, segundo o CEO Keith J. Sullivan.

De acordo com resultados preliminares do quarto trimestre, a receita da Neuronetics para o Q4 está estimada em US$ 22,1 milhões e US$ 74,5 milhões para todo o ano de 2024. No entanto, a empresa anunciou expectativas melhores para este ano, com receita total entre US$ 145 milhões e US$ 155 milhões e fluxo de caixa positivo no terceiro trimestre.

#2. NeuroOne Medical Technologies Corporation (NMTC )  

Esta empresa de tecnologia médica desenvolve soluções minimamente invasivas para estimulação cerebral, registro de EEG e soluções de ablação para quem sofre de distúrbios neurológicos como epilepsia, distonia, tremores, doença de Parkinson e dor crônica.

Seus produtos incluem a tecnologia de eletrodo cortical Evo para gravação, monitoramento e estimulação do tecido cerebral. 

Há também o sistema de ablação OneRF para criar “lesões de radiofrequência em tecido nervoso para procedimentos neurocirúrgicos funcionais.” A NeuroOne realmente obteve aprovação da FDA para seu Sistema de Ablação OneRF, tornando‑se a primeira e única a recebê‑la tanto para registro de atividade elétrica quanto para ablação de tecido nervoso.

Com uma capitalização de mercado de US$ 34,56 milhões, as ações NMTC estão atualmente sendo negociadas a US$ 1,12, um aumento de 35,61% no ano. Seu EPS (TTM) é -0,27 e o P/E (TTM) é -4,21.

No primeiro trimestre do exercício fiscal de 2025, a empresa reportou US$ 3,3 milhões em receita de produtos e US$ 1,9 milhões em lucro bruto de produtos, enquanto as despesas operacionais diminuíram. Em 31 de dezembro de 2024, possuía caixa e equivalentes de caixa de US$ 1,1 milhão, inferior aos US$ 1,5 milhão que tinha em 30 de setembro de 2024.

Conclusão

Os avanços em pesquisas relacionadas ao cérebro são críticos para o progresso da humanidade. Afinal, ele é nosso órgão mais importante, que controla quase todas as funções, desde pensamento, memória e emoção até movimento, visão e audição. Portanto, ter uma compreensão mais profunda do cérebro é essencial, e as pesquisas mais recentes que avançam no mapeamento de conectividade sináptica em larga escala representam um passo significativo na decodificação de como os neurônios interagem e se comunicam.

À medida que esses avanços continuam a se refinar, eles podem abrir caminho para insights mais profundos sobre a funcionalidade do cérebro, auxiliar em novas estratégias terapêuticas para condições complexas e revolucionar a pesquisa neurológica.

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Referência do Estudo:

1. Wang, J., Jung, W. B., Gertner, R. S., et al. (2025). Mapeamento da conectividade sináptica entre milhares de neurônios via gravação intracelular paralelizada com uma matriz de eletrodos microfuro. Nature Biomedical Engineering. https://doi.org/10.1038/s41551-025-01352-5