Observar um cérebro funcionando neurônio por neurônio e praticamente em tempo real é um dos grandes desafios da neurociência. Agora, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) deram um passo importante nessa direção.
A equipe criou um microscópio de alta velocidade capaz de acompanhar a atividade elétrica distribuída pelo cérebro completo de larvas de peixe-zebra (Danio rerio). O equipamento consegue realizar 200 varreduras por segundo, equivalente a uma nova observação a cada cinco milissegundos.
Essa velocidade permitiu acompanhar impulsos elétricos individuais em diferentes regiões cerebrais simultaneamente. O estudo foi publicado na revista científica Nature Methods e tem como autor sênior Ed Boyden, professor de neurotecnologia do MIT e integrante do Instituto McGovern de Pesquisa Cerebral.
O desafio de observar neurônios em tempo real
O cérebro funciona através de sinais elétricos que percorrem enormes redes de neurônios. Essa atividade está envolvida praticamente em tudo o que fazemos, desde perceber o ambiente até formar memórias e controlar movimentos.
O problema é que observar esses sinais diretamente e em grande escala sempre foi extremamente difícil.
Uma das técnicas mais utilizadas atualmente é a chamada imagem de cálcio. Ela detecta alterações na concentração de cálcio dentro das células depois que um neurônio dispara.
Apesar de útil, trata-se de uma medição indireta e relativamente lenta.
Segundo Jie Zhang, ex-pesquisador do MIT envolvido no estudo, essa limitação dificulta a observação de eventos neurais extremamente rápidos.
Os neurônios realizam seus cálculos utilizando eletricidade. Por isso, registrar diretamente mudanças de voltagem oferece uma representação muito mais imediata de sua atividade.
Proteínas fluorescentes revelam os impulsos elétricos
Para visualizar esses sinais, os cientistas utilizaram proteínas fluorescentes conhecidas como indicadores de voltagem codificados geneticamente.
Essas proteínas podem ser produzidas pelos próprios neurônios e alteram sua fluorescência quando ocorre uma mudança na atividade elétrica da célula.
A tecnologia já havia sido utilizada anteriormente, mas geralmente para observar pequenos grupos de neurônios concentrados em regiões específicas.
O desafio era combinar três características ao mesmo tempo: observar um grande volume cerebral, alcançar resolução suficiente para distinguir células individuais e registrar eventos que acontecem em questão de milissegundos.
Foi justamente isso que a equipe tentou resolver.
Um microscópio de folha de luz muito mais rápido
Os pesquisadores adaptaram um microscópio de folha de luz, tecnologia que utiliza uma fina lâmina de laser para iluminar pequenas partes de uma amostra.
Ao registrar sucessivamente diferentes camadas, o equipamento consegue construir imagens tridimensionais.
Entretanto, os microscópios tradicionais desse tipo não são rápidos o suficiente para acompanhar impulsos elétricos individuais enquanto percorrem diferentes regiões do cérebro.
A equipe aumentou a velocidade de aquisição das imagens e adicionou uma técnica conhecida como reenfoque remoto, permitindo acelerar significativamente a varredura.
O resultado foi um sistema capaz de registrar um volume cerebral completo 200 vezes por segundo.
Segundo Zeguan Wang, um dos principais autores do trabalho, diferentes grupos de neurônios podem coordenar suas atividades em escalas de apenas milissegundos. Para compreender essa dinâmica, portanto, é necessário observar várias regiões cerebrais simultaneamente.
O que os cientistas encontraram no cérebro do peixe-zebra
Para testar o equipamento, os pesquisadores modificaram geneticamente neurônios de larvas de peixe-zebra para produzir um indicador de voltagem chamado Positron2-Kv.
A intenção inicial era visualizar todas as células, mas o sinal apresentou qualidade adequada em aproximadamente 25% dos neurônios.
Mesmo assim, a cobertura foi suficiente para identificar diferentes padrões de atividade distribuídos pelo cérebro.
Durante períodos de repouso, os pesquisadores observaram tanto picos elétricos isolados quanto rápidas sequências de disparos neuronais.
Depois, expuseram os animais a um estímulo de luz ultravioleta.
A resposta surgiu inicialmente no tecto óptico, região responsável por receber e processar informações visuais provenientes da retina. Em seguida, a atividade se propagou entre diferentes áreas.
Ao mesmo tempo, cerebelo e rombencéfalo apresentaram sequências de atividade que aparentemente não estavam diretamente relacionadas ao estímulo visual.
Tecnologia pode ajudar a entender como surgem comportamentos
Para Ed Boyden, uma das grandes questões da neurociência é compreender como neurônios distribuídos pelo cérebro trabalham juntos para produzir uma determinada função.
A nova tecnologia pode oferecer uma maneira inédita de investigar justamente essa questão.
Os pesquisadores agora querem aumentar a quantidade de neurônios observáveis simultaneamente e melhorar ainda mais a velocidade e a resolução do microscópio.
Outro objetivo será adaptar a técnica para animais mais complexos, incluindo camundongos.
Ainda existe uma enorme distância entre registrar o cérebro relativamente pequeno de uma larva de peixe-zebra e aplicar algo semelhante ao cérebro humano.
Mesmo assim, a tecnologia pode ajudar pesquisadores a construir novos modelos sobre como padrões de atividade neuronal se transformam em comportamentos específicos.
No futuro, estudos desse tipo também podem oferecer pistas sobre a relação entre atividade cerebral e estados mentais, incluindo atenção, percepção e até momentos de devaneio.
Se conseguirmos acompanhar cada vez mais neurônios trabalhando simultaneamente, poderemos chegar mais perto de responder uma das perguntas mais complexas da ciência: como bilhões de sinais elétricos acabam se transformando em pensamentos, emoções e comportamentos.Fon
[ Fonte: Infobae ]
