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English to Portuguese: Cerebral Organoid Brain Waves
Source text - English "The level of neural activity we are seeing is unprecedented in vitro," says Alysson Muotri, a biologist at the University of California, San Diego. "We are one step closer to have a model that can actually generate these early stages of a sophisticated neural network."
The pea-sized brains, called cerebral organoids, are derived from human pluripotent stem cells. By putting them in culture that mimics the environment of brain development, the stem cells differentiate into different types of brain cells and self-organize into a 3D structure resembling the developing human brain.
Scientists have successfully grown organoids with cellular structures similar to those of human brains. However, none of the previous models developed human-like functional neural networks. Networks appear when neurons are mature and become interconnected, and they are essential for most brain activities.
"You can use brain organoids for several things, including understand normal human neurodevelopment, disease modeling, brain evolution, drug screening, and even to inform artificial intelligence," Muotri says.
Muotri and colleagues designed a better procedure to grow stem cells, including optimizing the culture medium formula. These adjustments allowed their organoids to become more mature than previous models. The team grew hundreds of organoids for 10 months and used multi-electrode arrays to monitor their neural activities.
The team began to detect bursts of brain waves from organoids at about two months. The signals were sparse and had the same frequency, a pattern seen in very immature human brains. As the organoids continued to grow, they produced brain waves at different frequencies, and the signals appeared more regularly. This suggests the organoids have further developed their neural networks.
"This is a result of having more functional synapses, and you are forming more connections between the neurons," Muotri says. The interactions between neurons contribute to signals at various frequencies, he says.
To compare the brain wave patterns of organoids with those of human brains early in development, the team trained a machine learning algorithm with brain waves recorded from 39 premature babies between six and nine-and-a-half months old. The algorithm was able to predict how many weeks the organoids have developed in culture, which suggests these organoids and human brain share a similar growth trajectory.
However, it's not likely these organoids have mental activities, such as consciousness, Muotri says. "The organoid is still a very rudimentary model -- we don't have other brain parts and structures. So these brain waves might not have anything to do with activities in real brains."
"It might be that in the future, we will get something that is really close to the signals in the human brains that control behaviors, thoughts, or memory," Muotri says. "But I don't think we have any evidence right now to say we have any of those."
Looking forward, the team aims to further improve the organoids and use them to understand diseases associated with neural network malfunctioning, such as autism, epilepsy, and schizophrenia.
"As a scientist, I want to get closer and closer to the human brain," Muotri says. "I want to do that because I see the good in it. I can help people with neurological conditions by giving them better treatments and better quality of life. But it's up to us to decide where the limit is. It might be that the technology is not ready yet, or we don't know how to control the technology. This is the same kind of discussion around CRISPR in babies, and that's why we have ethics committees to represent all parts of the society."
Translation - Portuguese “O nivel de atividade neural que estamos vendo é sem precedentes in vitro”, diz Alysson Muotri, uma bióloga da Universidade da Califórnia, em São Diego. “Estamos chegando mais perto de obtermos um modelo que possa realmente gerar estes estágios iniciais de uma rede neural sofisticada”
Estes cérebros do tamanho de uma ervilha, chamados de organoides cerebrais, são derivados de células pluripotentes humanas. Ao colocá-las em um meio de cultura que mimetiza o ambiente de desenvolvimento cerebral, as células-tronco se diferenciam em diferentes tipos de células cerebrais e se auto-organizam em uma estrutura 3D que se assemelha ao cérebro humano em desenvolvimento.
Os cientistas já haviam cultivado com sucesso organoides com estruturas celulares similares às dos cérebros humanos. Entretanto, nenhum dos modelos prévios desenvolveu redes neurais funcionais similares às humanas. As redes surgem quando os neurônios estão maduros e se tornam interconectados e elas são essenciais para a maior parte das atividades cerebrais.
“Você pode usar os organoides cerebrais para diversas coisas, inclusive para compreender o neurodesenvolvimento humano normal, para modelagem de doenças, para triagem de medicamentos, e até mesmo para gerar mais informações para a área de Inteligência Artificial”, afirma Muotri.
Muotri e seus colegas desenvolveram um procedimento mais eficiente para cultivar células-tronco, que inclui a otimização da fórmula do meio de cultura. Estes ajustes permitiram que seus organoides se tornassem mais maduros que os modelos anteriores. A equipe cultivou centenas de organoides durante dez meses e usou matrizes de múltiplos eletrodos para monitorar suas atividades neurais.
A equipe começou a detectar rajadas de ondas cerebrais dos organoides em aproximadamente dois meses. Os sinais eram esparsos e possuíam a mesma frequência, um padrão observado em cérebros humanos muito imaturos. Conforme os organoides continuavam a crescer, eles produziam ondas cerebrais em diferentes frequências e os sinais apareciam de modo mais regular. Isso sugere que os organoides tinham desenvolvido ainda mais suas redes neurais.
"Isso é resultado de se ter mais sinapses funcionais e você estar formando mais conexões entre os neurônios", afirma Muotri. As interações entre os neurônios contribuem para que os sinais ocorram em várias frequências, diz ela.
Para comparar os padrões de ondas cerebrais dos organoides com os do cérebro humano em estágio inicial de desenvolvimento, a equipe treinou um algoritmo de aprendizado automático com ondas cerebrais gravadas de 39 bebês prematuros - entre seis e nove meses e meio de idade. O algoritmo foi capaz de prever quantas semanas os organoides haviam se desenvolvido em cultura, o que sugere que esses organoides e o cérebro humano compartilham uma trajetória similar de crescimento.
Contudo, não é provável que esses organoides tenham atividades mentais, como consciência, diz Muotri. "O organoide ainda é um modelo muito rudimentar - não temos outras partes e estruturas cerebrais. Deste modo, estas ondas cerebrais podem não ter nenhuma relação com a atividade em cérebros reais".
"Pode ser que, no futuro, tenhamos algo que seja muito próximo dos sinais nos cérebros humanos responsáveis por controlar comportamentos, pensamentos ou memória", diz Muotri. "Mas não acho que, neste momento, tenhamos nenhuma evidência que suporte a afirmação de que há algo assim."
Futuramente, a equipe pretende aprimorar ainda mais os organoides e usá-los para entender doenças associadas ao mau funcionamento da rede neural, tais como autismo, epilepsia e esquizofrenia.
"Como cientista, quero me aproximar cada vez mais do cérebro humano", diz Muotri. "Quero fazer isso porque vejo o que há de bom nesta tecnologia. Posso ajudar pessoas com problemas neurológicos ao lhes propiciar melhores tratamentos e melhor qualidade de vida. Mas cabe a nós decidir onde está o limite. Pode ser que a tecnologia ainda não esteja pronta ou que não saibamos como controlar a tecnologia. Esse é o mesmo tipo de discussão sobre o CRISPR em bebês e é por isso que temos comitês de ética para representar todas as partes da sociedade ".
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Translation education
Bachelor's degree - University of Texas at Austin
Experience
Years of experience: 5. Registered at ProZ.com: Feb 2019.