Aprendizado de máquina e “software” open-source na elaboração de reconstruções tridimensionais para o estudo de neurônios humanos e seus espinhos dendríticos
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Data
2022
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Resumo
A descrição da estrutura tridimensional (3D) do corpo neuronal, da
ramificação dendrítica e dos espinhos dendríticos dos neurônios é essencial para a
compreensão de como ocorre o processamento de informações no sistema nervoso
ao longo da filogenia, mormente à complexidade que existe no ser humano.
Frequentemente, esses componentes da estrutura neuronal apresentam
conformações espaciais múltiplas, tornando necessária a elaboração de
reconstruções 3D digitais para estudos morfológicos mais detalhados e precisos. A
elaboração dessas reconstruções é, no entanto, desafiadora devido às questões
relacionadas com a disponibilidade de “software” e com a complexidade do tecido
nervoso e dificuldades técnicas inerentes ao processamento histológico de
amostras postmortem humanas. A presente dissertação de mestrado teve como
objetivo aplicar e desenvolver procedimentos de reconstrução 3D a fim de estudar
a forma de neurônios humanos e seus espinhos dendríticos impregnados pela
técnica de Golgi sob microscopia óptica de campo claro. A partir de imagens de
microscopia de luz capturadas sequencialmente ao longo do eixo espacial ‘z’, o
“software” open-source Neuromantic foi utilizado para a elaboração de
reconstruções 3D e obtenção de dados morfométricos dos corpos celulares e
ramificações dendríticas dos neurônios de von Economo presentes no córtex
cingulado anterior e de neurônios com corpo celular fusiforme no pré-cúneo
humanos. Para o estudo da presença, distribuição, número e diferentes formas dos
espinhos dendríticos desses neurônios, reconstruções 3D foram feitas com
algoritmo computacional na plataforma comercial MATLAB® com imagens
microscópicas de maior aumento. De modo a evitar o uso adicional de “software”
comercial, por causa de altos custos impeditivos e menor acesso a todos os
pesquisadores, o presente trabalho também objetivou desenvolver um método
adicional, simples, acessível e confiável para a reconstrução 3D de espinhos
dendríticos com “software” gratuito. Para isso, utilizou-se o “software” open-source
ilastik, que emprega algoritmos de aprendizado supervisionado de máquina para a
segmentação de imagens. Esse novo método foi aplicado para a composição de
reconstruções 3D dos espinhos dendríticos de neurônios do núcleo cortical do
complexo amigdaloide humano, mas pode ser utilizado a priori em diversas outras áreas nervosas igualmente. As ferramentas computacionais que permitiram a
elaboração das reconstruções 3D geraram dados morfológicos imprescindíveis
sobre a forma do soma, orientação espacial dos ramos dendríticos nos três eixos
espaciais e da presença, distribuição, número e forma diversa dos espinhos
dendríticos dos neurônios estudados. Neurônios corticais e subcorticais humanos
(e de outros animais) podem ser reconstruídos para estudos ontogenéticos,
filogenéticos e hodológicos em cada área de interesse e/ou tipo neuronal relevante
bem como para a investigação de alterações morfológicas de estruturas neuronais
em doenças neurológicas e psiquiátricas. Por utilizar “software” que estão
gratuitamente disponíveis para download e uso, o presente trabalho disponibiliza
como realizar tais estudos e viabiliza o desenvolvimento de pesquisas nas quais as
reconstruções 3D neuronais tornam-se acessíveis, mesmo com poucos recursos
disponíveis, com qualidade, relevância internacional e atualidade dos dados
obtidos, contribuindo para o conhecimento humano na área da Morfologia e das
Neurociências.
Descrição
Dissertação (Mestrado)-Programa de Pós-Graduação em Biociências, Fundação Universidade Federal de Ciências da Saúde de Porto Alegre.
Palavras-chave
Espinhos dendríticos, Neurônios de von Economo, Complexo amigdaloide humano, Técnica de Golgi, Reconstruções tridimensionais (3D) de imagem