O Projecto Cérebro Humano estuda o cérebro e as suas doenças. Na primeira abordagem, é recriado um modelo realista do cérebro baseado em dados neurocientíficos e genéticos detalhados. Em segundo lugar, grandes quantidades de dados de muitos aspectos de uma doença devem ser recolhidos num único formato de dados. O objectivo é combinar ambas as abordagens a fim de ligar as causas genéticas e neurofisiológicas complexas das doenças psiquiátricas com os fenótipos complexos associados.
Há muito que se reconhece que as doenças psiquiátricas como a esquizofrenia e a depressão não podem ser explicadas monocausalmente, mas que são necessárias explicações multifactoriais. Ao nível da metodologia de investigação, isto significa que as abordagens de investigação isoladas não são suficientes, mas que são necessários métodos que possam captar a combinatória de mecanismos multifactoriais (por exemplo, a nível genético, neurobiológico, fenomenológico). O mesmo se aplica à investigação sobre o cérebro humano com biliões de neurónios e ligações neuronais.
O objectivo do Projecto Cérebro Humano é ser capaz de explorar a complexidade do cérebro e as suas doenças. Estão previstas duas abordagens para o efeito: Primeiro, um modelo digital do cérebro será reconstruído com base em dados neurocientíficos e genéticos. Por outro lado, grandes quantidades de dados de muitos aspectos de uma doença devem ser trazidos para um formato de dados uniforme. A visão deste projecto é combinar estas duas abordagens e encontrar novas abordagens explicativas, integrando características genéticas e neurofisiológicas das doenças psiquiátricas e os complexos fenótipos a elas associados. Em resumo, esta é uma abordagem que trata da recolha e análise de grandes quantidades de dados relacionados com o cérebro humano.
“Abordagem de baixo para cima e abordagem de cima para baixo
A abordagem ascendente centra-se no objectivo de reconstruir completamente o cérebro, ou seja, de o digitalizar. A nível metodológico, este é um projecto de integração de dados comparável ao desenvolvimento de um atlas digital baseado em diferentes fontes de dados de diferentes escalas. Com base nos dados do “Blue Brain Project” [1], está a ser concebido um modelo digital da estrutura e funcionamento do cérebro. Na abordagem de cima para baixo, são recolhidos dados relativos às diferentes características de uma doença (nível genético e molecular, nível comportamental, etc.). Estes dados são recolhidos em clínicas e universidades parceiras, permanecem nos computadores das respectivas instituições e são analisados por software especial. Os parâmetros destas análises são então armazenados numa plataforma central neuroinformática. A partir daí, estes dados são transmitidos para outras plataformas:
- Plataforma de simulação (=exame do cérebro saudável)
- Plataforma que lida com as doenças
Existem doze subprojectos no âmbito do Projecto Cérebro Humano. No âmbito do subprojecto 10 (“Neurorobótica”), por exemplo, um novo ambiente baseado na web (“Plataforma Neurobiótica”) (Fig. 1) está disponível para cientistas e outros profissionais, o que oferece a possibilidade de ligar modelos cerebrais com simulações detalhadas de robôs e dos seus ambientes e utilizar os sistemas neurorobóticos resultantes para experiências em silico [2].
A plataforma informática médica
O sub-projecto de investigação sobre doenças mentais (“The Medical Informatics Platform”) (Fig. 1) trata de uma melhor compreensão das doenças mentais. Há 14 instituições parceiras e 5 clínicas envolvidas, incluindo um grupo de investigação liderado por Ferah Kherif e Bogdan Draganski, ambos investigadores e docentes da Universidade de Lausanne.
A ciência cerebral e o diagnóstico clínico devem ser ligados e trazidos para um formato padronizado em termos de tecnologia de dados. O objectivo é prever e explicar melhor doenças complexas, integrando dados clínicos (fenomenologia), etiológicos e biológicos e combinando estes dados com o modelo digital do cérebro.
Como é que isto é implementado? Mede-se toda a informação disponível sobre uma determinada doença a nível genético, molecular ou comportamental. Os algoritmos de aprendizagem de máquinas são utilizados para analisar estes dados. Desta forma, a rede aprende a encontrar diferenças e a formar clusters dentro de um enorme conjunto de dados.
Por exemplo, uma análise de um grande conjunto de dados de pacientes com Alzheimer [3] com dados sobre características genéticas, moleculares e cognitivas, realizada com este método, resultou na identificação de diferentes subgrupos. Com este método, é possível investigar como certos mecanismos produzem uma certa fenomenologia. Num próximo passo, poder-se-ia utilizar estas descobertas para desenvolver drogas específicas de subgrupos. Uma vez que o Projecto Cérebro Humano é uma infra-estrutura de “Grandes Dados” com o objectivo de obter acesso a uma grande quantidade de dados clínicos, as questões éticas, tais como as condições do “Consentimento Informado”, devem também ser esclarecidas [4].
Exemplo de aplicação concreta: modelo explicativo para a esquizofrenia
Estudos empíricos mostram que existem anormalidades em várias características a diferentes níveis nas perturbações esquizofrénicas e que os factores genéticos desempenham um papel importante. Por exemplo, foi demonstrado que o risco de desenvolver esquizofrenia em algum momento da vida (“risco vitalício”) é de 50% para um irmão gémeo de uma pessoa com a doença. Os filhos de pais doentes têm um risco de 13% de também desenvolverem esquizofrenia. Em estudos empíricos, verificou-se que os pacientes com esquizofrenia são significativamente mais lentos nas tarefas com uma grande procura de memória de trabalho em comparação com um grupo de controlo de pessoas saudáveis e que os padrões de actividade neuronal no córtex pré-frontal diferem. Uma bateria de testes mostrou anomalias em vários testes (por exemplo, teste de classificação de cartões de Wisconsin, máscara visual, Stroop, etc.). Contudo, quase não foram encontradas correlações entre os resultados dos testes individuais e os polimorfismos de “nucleótido único” e os resultados em testes cognitivos. Isto mostra que se trata de uma doença complexa.
Herzog ilustrou o desafio combinatório de uma doença multifactorial como a esquizofrenia de forma simplificada utilizando uma experiência de pensamento: Assumindo que existem oito factores relevantes para a doença e cada um destes factores tem duas variantes (por exemplo, “Para cima”, “Para baixo”), então existem 256 constelações “Para cima”/”Para baixo”. Cada componente individual não é problemático, é a combinação das diferentes variantes que é decisiva. Que todas as variantes sejam “Para cima” ou “Para baixo” corresponde a uma probabilidade inferior a 1%. Isto corresponde à prevalência da esquizofrenia na população em geral. A fim de investigar os mecanismos de doenças complexas com mais detalhe, são necessárias grandes quantidades de dados, bem como métodos analíticos que possam captar a combinação de diferentes características e formar clusters. Este é um exemplo de uma possível aplicação da metodologia de investigação do Projecto Cérebro Humano.
Actividades de investigação planeadas
Em Abril de 2018, haverá um convite à apresentação de propostas com mais pormenores sobre as condições de participação no Projecto Cérebro Humano. Uma possibilidade é realizar a recolha de dados no ambiente clínico. Está previsto que o software para a análise de dados seja instalado nos computadores da respectiva clínica e que apenas metadados anonimizados e encriptados sejam exportados para computadores no exterior. Os dados originais permanecem, portanto, sempre nos computadores da clínica. Os metadados codificados devem ser disponibilizados ao público e acessíveis às pessoas interessadas. No futuro, qualquer pessoa que se registar no projecto poderá descobrir, por exemplo, como uma certa concentração de proteínas afecta certos outros parâmetros.
- Website O Projecto Cérebro Humano
www.humanbrainproject.eu
Literatura:
- O Projecto Cérebro Azul. Uma Iniciativa Cerebral Suíça. http://bluebrain.epfl.ch
- Falotico E, et al: Connecting Artificial Brains to Robots in a Comprehensive Simulation Framework: The Neurororobotics Platform. Front Neurorobot, 2017 25 Jan; https://doi.org/10.3389/fnbot.2017.00002
- Adaszewski S, et al.: Quão cedo podemos prever a doença de Alzheimer usando a anatomia computacional? Envelhecimento do Neurobiol 2013; 34(12): 2815-2826.
- Christen M, et al.: On the Compatibility of Big Data Driven Research and Informed Consent: The Example of the Human Brain Project. Em: Mittelstadt B., Floridi L. (eds). A Ética dos Grandes Dados Biomédicos. Série Direito, Governação e Tecnologia 2016; 29. Springer, Cham
Leitura adicional:
- Amunts K, et al: The Human Brain Project: Creating a European Research Infrastructure to Decode the Human Brain: Neuron 2016; 92 (3): 574-581, https://doi.org/10.1016/j.neuron.2016.10.046
- Amunts K, et al. BigBrain: Um Modelo de Cérebro Humano 3D de Ultra Alta Resolução. Science 2013; 340: 1472-1475, DOI: 10.1126/science.1235381, http://science.sciencemag.org/content/340/6139/1472
- Deco G, Kringelbach ML. Grandes Expectativas: Utilizar a Connectómica Computacional de Todo o Cérebro para Compreender os Transtornos Neuropsiquiátricos. Neurão 2014; 84 (5): 892-905. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2014.08.034
InFo NEUROLOGIA & PSYCHIATRY 2017; 15(6): 46-48
