Neurônios brilhantes permitem que os cientistas observem o cérebro funcionar em tempo real

“Começamos a pensar: ‘E se pudéssemos iluminar o cérebro por dentro?'”, disse Christopher Moore, professor de ciências do cérebro na Universidade Brown. “A luz brilhante no cérebro é usada para medir a atividade – geralmente através de um processo chamado fluorescência – ou para impulsionar a atividade nas células para testar o papel que elas desempenham. Mas disparar lasers no cérebro tem desvantagens quando se trata de experimentos, muitas vezes exigindo hardware sofisticado e uma menor taxa de sucesso. Achamos que poderíamos usar a bioluminescência em vez disso.”

Construindo o Centro de Bioluminescência

Essa ideia ajudou a lançar o Centro de Bioluminescência no Carney Institute for Brain Science da Brown University em 2017. Apoiado por uma grande doação da National Science Foundation, o centro reuniu colaboradores incluindo Moore (diretor associado do Carney Institute), Diane Lipscombe (o diretor do instituto), Ute Hochgeschwender (na Central Michigan University) e Nathan Shaner (na University of California San Diego).

A equipe decidiu criar e compartilhar novas ferramentas de neurociência, dando às células do sistema nervoso a capacidade de produzir luz e responder a ela.

Uma nova ferramenta para observar o brilho dos neurônios

Em um estudo publicado em Métodos da Naturezaos pesquisadores descreveram uma nova ferramenta de imagem bioluminescente que desenvolveram. Conhecida como Monitor de Atividade de BioLuminescência Ca2+ – ou “CaBLAM”, abreviadamente – a ferramenta pode capturar a atividade dentro de células individuais e até mesmo em regiões celulares menores em alta velocidade. Funciona de forma eficaz em ratos e peixes-zebra, suporta gravações que duram horas e não requer nenhuma fonte de luz externa.

Moore disse que Shaner, professor associado de neurociência e farmacologia na UC San Diego, liderou o esforço para projetar o dispositivo molecular por trás do CaBLAM. “CaBLAM é uma molécula realmente incrível que Nathan criou”, disse Moore. “Faz jus ao seu nome.”

Por que medir a atividade cerebral é importante

Rastrear a atividade das células cerebrais vivas é fundamental para compreender como funcionam os organismos, explicou Moore. Hoje, a maneira mais comum de fazer isso depende de indicadores de íons de cálcio geneticamente codificados baseados em fluorescência.

“Na forma como a fluorescência funciona, você direciona feixes de luz para alguma coisa e obtém um comprimento de onda diferente dos feixes de luz”, disse Moore, que dirige o Centro de Bioluminescência. “Você pode tornar esse processo sensível ao cálcio para obter proteínas que retornarão uma quantidade diferente ou uma cor diferente de luz, dependendo da presença ou não de cálcio, com um sinal brilhante”.

Embora as técnicas de fluorescência sejam amplamente utilizadas, Moore disse que elas apresentam grandes desvantagens. A exposição prolongada à luz externa intensa pode danificar as células cerebrais. Com o tempo, essa iluminação também pode alterar as próprias moléculas fluorescentes, de modo que não emitam mais luz suficiente, um problema conhecido como fotodegradação que limita o tempo de duração dos experimentos. Além disso, fornecer luz ao cérebro requer equipamentos como lasers e fibras ópticas, o que torna os experimentos mais invasivos.

Por que a bioluminescência oferece vantagens claras

A imagem bioluminescente funciona de maneira diferente. A luz é gerada quando uma enzima quebra uma pequena molécula específica, o que significa que nenhuma luz externa brilhante é necessária. Como resultado, não há fotobranqueamento nem danos fototóxicos, tornando a abordagem mais segura para tecidos cerebrais delicados.

Também produz imagens mais limpas.

“O tecido cerebral já brilha fracamente quando atingido pela luz externa, criando ruído de fundo”, disse Shaner. “Além disso, o tecido cerebral espalha a luz, desfocando a luz que entra e o sinal que sai. Isso torna as imagens mais escuras, mais confusas e mais difíceis de ver nas profundezas do cérebro. O cérebro não produz naturalmente bioluminescência, então quando os neurônios projetados brilham por conta própria, eles se destacam contra um fundo escuro quase sem interferência. E com a bioluminescência, as células cerebrais agem como seus próprios faróis: você só precisa observar a luz saindo, o que é muito mais fácil de ver, mesmo quando espalhado pelo tecido. “

Moore observou que os cientistas discutiram o uso da bioluminescência para estudar a atividade cerebral durante décadas, mas até agora ninguém havia conseguido tornar a luz brilhante o suficiente para imagens detalhadas.

Os insights que tornaram o CaBLAM possível

“O artigo atual é interessante por vários motivos”, disse Moore. “Essas novas moléculas forneceram, pela primeira vez, a capacidade de ver células individuais ativadas de forma independente, quase como se você estivesse usando uma câmera de cinema muito especial e sensível para registrar a atividade cerebral enquanto ela está acontecendo”.

Usando o CaBLAM, os pesquisadores podem observar como um único neurônio se comporta dentro de um animal vivo, incluindo a atividade em diferentes partes da célula. No estudo, a equipe relatou uma sessão contínua de gravação de cinco horas, algo que não seria possível com métodos tradicionais baseados em fluorescência.

“Para estudar comportamentos complexos ou aprendizagem, a bioluminescência permite capturar todo o processo, com menos hardware envolvido”, disse Moore.

Além da imagem do cérebro

O projeto CaBLAM faz parte de um esforço maior no centro para inventar novas formas de observar e controlar a atividade cerebral. Um experimento envolve uma célula viva enviando um flash de luz que uma célula próxima pode detectar, permitindo que os neurônios se comuniquem usando a própria luz (o que Moore chama de “religar o cérebro com luz”). A equipe também está desenvolvendo técnicas que utilizam cálcio para regular a atividade celular.

À medida que esses projetos evoluíram, os pesquisadores perceberam que todos dependiam de sensores de cálcio mais brilhantes e eficazes. Essa necessidade tornou-se um foco central do trabalho do centro, disse Moore.

“Temos certeza de que, como centro que está tentando impulsionar o campo, criamos os componentes necessários”, disse Moore.

Uma ferramenta com potencial mais amplo

Moore acredita que o CaBLAM poderia eventualmente ser aplicado além da neurociência para estudar a atividade em outras partes do corpo.

“Este avanço permite toda uma nova gama de opções para ver como o cérebro e o corpo funcionam”, disse Moore, “incluindo o rastreamento da atividade em múltiplas partes do corpo ao mesmo tempo”.

Ele acrescentou que a conquista destaca a força da pesquisa colaborativa. Pelo menos 34 cientistas contribuíram para o projeto, representando parceiros do Centro de Bioluminescência, como a Brown University, a Central Michigan University, a UC San Diego, a University of California Los Angeles e a New York University. O trabalho foi apoiado por financiamento dos Institutos Nacionais de Saúde, da National Science Foundation e da Paul G. Allen Family Foundation.