O cérebro nunca fica realmente parado. Enquanto percebemos uma imagem, reagimos a um estímulo ou tomamos uma decisão, milhares de células nervosas trocam sinais elétricos em frações de segundo. Registrar esse processo em detalhes sempre foi um dos grandes desafios da neurociência. Agora, pesquisadores desenvolveram uma tecnologia que consegue acompanhar essa atividade em uma velocidade que começa a mudar o que é possível observar dentro de um cérebro vivo.
Um microscópio capaz de acompanhar sinais em milissegundos
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveram um sistema de microscopia capaz de registrar a atividade elétrica de neurônios individuais distribuídos por uma grande parte do cérebro de larvas de peixe-zebra.
O trabalho, liderado por Zeguan Wang com pesquisadores do McGovern Institute e de outros centros do MIT, foi publicado na revista Nature Methods. O equipamento consegue produzir cerca de 200 volumes tridimensionais completos por segundo. Na prática, isso significa uma nova varredura aproximadamente a cada cinco milissegundos.
Essa velocidade é especialmente importante porque a atividade elétrica dos neurônios acontece muito rapidamente. Técnicas tradicionais de neuroimagem frequentemente utilizam indicadores de cálcio para identificar quando uma célula é ativada. Embora sejam extremamente úteis, esses sinais podem ser relativamente lentos em comparação com as mudanças elétricas que realmente acontecem nas células nervosas.
A equipe seguiu outro caminho. Os pesquisadores utilizaram indicadores de voltagem codificados geneticamente, moléculas fluorescentes que mudam de brilho de acordo com as alterações elétricas de uma neurônio.
Para enxergar essas mudanças, foi desenvolvido um microscópio de folha de luz com exploração remota, chamado rsLSM. O objetivo era combinar duas características difíceis de obter ao mesmo tempo: velocidade suficiente para acompanhar os eventos elétricos e resolução capaz de identificar células individuais.
O resultado permite observar o cérebro em uma escala temporal muito próxima daquela em que os próprios sinais neuronais acontecem.
Milhares de neurônios aparecem trabalhando ao mesmo tempo
As imagens produzidas pelo experimento parecem quase um mapa luminoso do cérebro. Pequenos pontos fluorescentes indicam neurônios cuja atividade elétrica está sendo registrada enquanto diferentes estímulos provocam respostas.
Para realizar o experimento, os cientistas modificaram geneticamente os peixes para que seus neurônios produzissem um indicador fluorescente chamado Positron2-Kv. Com isso, conseguiram registrar sinais suficientemente claros de aproximadamente um quarto de todas as células nervosas do cérebro analisado.
Isso representa dezenas de milhares de neurônios observados simultaneamente em diferentes regiões.
A vantagem não está apenas em saber quais células estão ativas. A velocidade do sistema permite acompanhar a sequência desses eventos e descobrir como diferentes grupos de neurônios se coordenam.
Durante os testes, os pesquisadores identificaram, por exemplo, padrões de atividade relacionados a estímulos visuais no tectum óptico. Também foram observadas ondas espontâneas de atividade em regiões como o cerebelo e a medula.
Esse tipo de observação pode ajudar a responder uma pergunta fundamental da neurociência: como grupos de neurônios espalhados pelo cérebro conseguem trabalhar juntos para transformar uma informação recebida pelos sentidos em uma reação, movimento ou comportamento?
Por que o peixe-zebra é tão importante para essa pesquisa?
O protagonista desses experimentos não foi escolhido por acaso. As larvas de peixe-zebra oferecem uma vantagem extraordinária para quem precisa observar o interior de um cérebro: são pequenas e relativamente transparentes.
Essa característica permite que a luz atravesse os tecidos com muito mais facilidade, tornando possível utilizar técnicas ópticas para acompanhar a atividade cerebral sem enfrentar imediatamente os obstáculos encontrados em animais maiores.
Apesar do tamanho reduzido, o peixe-zebra possui cerca de 100 mil neurônios e apresenta estruturas cerebrais que compartilham características importantes com as encontradas em outros vertebrados.
Isso faz da espécie um modelo particularmente interessante para estudar redes neuronais inteiras.
Ainda existe, porém, uma enorme distância entre observar o cérebro de uma larva transparente e aplicar a mesma abordagem em animais maiores. Cérebros mais complexos são maiores, mais espessos e dispersam muito mais a luz, dificultando a obtenção de imagens com a mesma velocidade e resolução.
Por isso, a tecnologia ainda está longe de permitir observar um cérebro humano inteiro dessa maneira.
Mesmo assim, o avanço representa uma mudança importante. Em vez de analisar apenas células isoladas ou sinais indiretos, os pesquisadores podem começar a observar redes inteiras enquanto processam informações.
O próximo passo pode mudar a forma como estudamos o cérebro
O verdadeiro potencial da tecnologia está justamente na possibilidade de acompanhar a atividade de regiões diferentes ao mesmo tempo.
Um estímulo visual, por exemplo, não precisa permanecer restrito a uma única área do cérebro. A informação pode ser distribuída por diferentes circuitos, que depois coordenam respostas. Registrar essa comunicação em alta velocidade oferece aos cientistas uma maneira mais detalhada de estudar como surgem comportamentos complexos.
A técnica ainda precisa evoluir antes de ser utilizada em cérebros maiores. Mas ela demonstra que é possível registrar a atividade elétrica de uma parcela significativa do cérebro de um vertebrado com resolução celular e temporal de milissegundos.
Isso pode abrir novas oportunidades para investigar como os circuitos neuronais processam estímulos, controlam movimentos e participam de decisões.
No fim, a grande novidade não é apenas conseguir produzir imagens impressionantes de neurônios iluminados. É começar a observar, praticamente em tempo real, como diferentes partes de um cérebro trabalham juntas enquanto ele está processando informações.
