FEDE cria um gêmeo digital do cérebro de um menino de 2 anos para investigar o autismo

Médicos que investigam o autismo em crianças bem pequenas esbarram repetidamente no mesmo limite. A ressonância magnética (RM) descreve a arquitetura do cérebro em grande detalhe, mas não diz como essa estrutura funciona em tempo real.

Já os registros que capturam o “zunzunzum” elétrico dos neurónios não conseguem, por si só, explicar qual anatomia está por trás desses sinais. Até aqui, nenhum modelo tinha conseguido juntar, simultaneamente, essas duas visões.

Um grupo em Itália acabou de construir esse tipo de modelo - baseado no caso de um menino com autismo, com pouco mais de 2 anos. Ao ajustar uma cópia virtual do cérebro para que ela reproduzisse as ondas cerebrais observadas no paciente, os investigadores podem ter revelado aspetos biológicos ocultos que nenhum exame isolado alcança.

Construindo um gêmeo do cérebro

A lógica de um gêmeo digital é direta: criar, no computador, um modelo tão fiel ao original que seja possível testar hipóteses na cópia em vez de intervir diretamente no paciente.

Fazer isso com um cérebro humano, porém, é muito mais complexo - e foi esse o desafio assumido por uma equipa da Scuola Superiore Sant’Anna (SSUP), em Pisa, Itália. O modelo foi desenvolvido a partir de um único participante: um menino com pouco mais de 2 anos, diagnosticado com autismo moderado.

O investigador Lorenzo Gaetano Amato, da instituição, esteve entre os líderes do projeto. Ele e os colegas deram ao sistema o nome de FEDE. A plataforma transforma imagens clínicas comuns numa réplica tridimensional capaz de gerar a sua própria atividade cerebral simulada.

Estrutura e atividade no mesmo modelo

O FEDE começa pela RM, o exame que regista a estrutura cerebral com alta precisão. A partir dessas imagens, o sistema reconstrói as dobras da superfície do cérebro e também a bainha de mielina - a camada gordurosa que reveste fibras nervosas e facilita a condução dos sinais.

A outra metade vem do eletroencefalograma (EEG), que capta a atividade elétrica por meio de elétrodos colocados sobre o couro cabeludo. O registo analisado foi de repouso: o menino permaneceu sentado e tranquilo, sem precisar realizar qualquer tarefa.

Com a anatomia montada, o FEDE simula a atividade ao longo da superfície cerebral. Em seguida, esse sinal é propagado virtualmente através dos tecidos e do crânio até cada ponto correspondente aos elétrodos - um EEG sintético que pode ser comparado, diretamente, ao EEG real.

Fazendo o sinal virtual coincidir com o real

A prova decisiva era saber se a cópia se comportaria como o cérebro do menino. E ela conseguiu. Não de forma perfeita, mas com elevada proximidade. Em praticamente todos os elétrodos, o traçado simulado acompanhou o registo verdadeiro.

Duas características, em especial, coincidiram: os ritmos predominantes e a maneira como a atividade de regiões diferentes sobe e desce em conjunto - um indicador de como o cérebro coordena redes distribuídas. Modelos anteriores, em geral, conseguiam reproduzir uma dessas propriedades de cada vez, mas não as duas ao mesmo tempo.

Quando a equipa reconstruiu o modelo recorrendo a ferramentas padrão e mais simples, a semelhança deixou de se sustentar. Os ritmos foram os mais prejudicados. E, com um modelo de cérebro personalizado, reproduzir no EEG a sincronização entre regiões ainda não tinha sido alcançado.

Rastreando a velocidade dos sinais

O FEDE também incorporou um passo que muitos modelos ignoram: estimou a velocidade de propagação ao longo de cada via com base em quão espessa é a cobertura de mielina nas fibras. Ou seja, não assume uma velocidade única para o cérebro inteiro.

No caso do menino, os sinais deslocavam-se mais lentamente na parte frontal do cérebro - algo esperado numa criança cuja “fiação” neural ainda está em desenvolvimento.

A equipa observou ainda que tratar todas as conexões como se tivessem uma velocidade fixa - o atalho mais comum - tende a superestimar, de forma sistemática, o tempo real que os sinais levam para percorrer os trajetos.

Outros estudos já encontraram diferenças de velocidade de condução entre cérebros de pessoas autistas e não autistas. Um mapa calculado para uma criança específica, em vez de médias obtidas de grandes grupos, pode ajudar a definir com maior precisão onde essas diferenças estão.

Pistas escondidas nos dados

A utilidade mais interessante apareceu depois de alcançar a boa correspondência entre simulação e EEG. Para se comportar como o cérebro real, o FEDE precisou “escolher” certos parâmetros internos - e esses parâmetros sugerem aspetos do funcionamento cerebral que nenhuma imagem consegue ver diretamente.

Dois deles destacaram-se. O primeiro foi o equilíbrio entre células que aumentam a atividade dos seus vizinhos e as que a reduzem.

Para reproduzir as ondas do menino, o modelo precisou inclinar esse equilíbrio na direção da excitação - cerca de 3 vezes acima do valor típico considerado saudável.

O segundo parâmetro foi o nível de disparos aleatórios de fundo na rede. Para obter o ajuste, a simulação teve de elevar esse ruído para aproximadamente 100 vezes acima da linha de base habitual.

Nenhum desses números foi medido diretamente no cérebro do menino. Em vez disso, são os valores que o modelo teve de assumir para conseguir gerar um EEG compatível com o registo real.

Essas estimativas dialogam com uma hipótese antiga sobre o autismo. Há anos, investigadores suspeitam que um desvio no balanço entre excitação e inibição tenha algum papel na condição - uma ideia discutida em mais de uma revisão científica.

O FEDE chegou a um desequilíbrio semelhante ao inferi-lo “de trás para a frente”, a partir das ondas cerebrais observadas.

Próximos passos para o FEDE

Antes deste trabalho, nenhum modelo cerebral conseguia reconstruir a anatomia de uma pessoa e, ao mesmo tempo, reproduzir a sua atividade em funcionamento dentro do mesmo sistema. O FEDE fez as duas coisas - e logo num dos cenários mais desafiadores: um bebé inquieto, com o cérebro ainda em formação.

A mesma estratégia já está a ser avaliada noutros contextos, como em testes de epilepsia em que modelos personalizados ajudam a orientar decisões.

Um modelo capaz de ligar a biologia subjacente às ondas cerebrais de uma criança pode, no futuro, ajudar médicos a diferenciar os vários perfis em que o autismo se manifesta - ou a experimentar intervenções primeiro na cópia.

Por enquanto, trata-se de um único menino e um único modelo, sem grupo de comparação; por isso, os valores específicos não podem ser generalizados.

Ainda assim, a mensagem mais robusta vai além de qualquer número isolado: sinais cerebrais “vivos” podem ser rastreados até à maquinaria oculta que os produz, num paciente real.