O cérebro tem uma linguagem oculta e os cientistas acabaram de descobri-la

Esta nova ferramenta permite detectar essas mensagens químicas subtis à medida que chegam, dando aos investigadores acesso a uma parte da comunicação cerebral que há muito está oculta.

Por que esta descoberta é importante

Ser capaz de observar os sinais recebidos permite aos cientistas estudar como os neurônios processam as informações. Cada célula cerebral recebe milhares de entradas e a forma como combina esses sinais determina se produz uma saída. Acredita-se que esse processo esteja subjacente a decisões, pensamentos e memórias, e estudá-lo diretamente poderia ajudar a explicar como o cérebro realiza cálculos complexos.

O avanço também abre novos caminhos para a pesquisa de doenças. Problemas com a sinalização do glutamato têm sido associados a condições como doença de Alzheimer, esquizofrenia, autismo, epilepsia e outras. Ao medir estes sinais com mais precisão, os investigadores poderão identificar as raízes biológicas destas doenças.

O desenvolvimento de medicamentos também poderia ser beneficiado. As empresas farmacêuticas podem utilizar estes sensores para ver como os tratamentos experimentais afectam a actividade sináptica real, o que pode ajudar a acelerar a procura de terapias mais eficazes.

Apresentando um poderoso sensor de glutamato

A proteína foi projetada por pesquisadores do Allen Institute e do Janelia Research Campus do HHMI. Conhecido como iGluSnFR4 (pronuncia-se ‘farejador de cola’), ele atua como um “indicador de glutamato” molecular. Sua sensibilidade permite detectar até mesmo os sinais de entrada mais fracos trocados entre os neurônios.

Ao revelar quando e onde o glutamato é liberado, o iGluSnFR4 fornece uma nova maneira de interpretar os padrões complexos de atividade cerebral que apoiam a aprendizagem, a memória e a emoção. Isso dá aos cientistas a capacidade de observar os neurônios se comunicando dentro do cérebro em tempo real. As descobertas foram publicadas recentemente na Nature Methods e podem mudar significativamente a forma como a atividade neural é medida e analisada na pesquisa em neurociência.

Como as células cerebrais se comunicam

Para entender o impacto desse avanço, é útil observar como os neurônios interagem. O cérebro contém bilhões de neurônios que se comunicam enviando sinais elétricos ao longo de estruturas semelhantes a ramos chamadas axônios. Quando um sinal elétrico atinge o final de um axônio, ele não consegue cruzar a pequena lacuna até o próximo neurônio, que é conhecido como sinapse.

Em vez disso, o sinal desencadeia a liberação de neurotransmissores na sinapse. O glutamato é o mais comum desses mensageiros químicos e desempenha um papel fundamental na memória, aprendizagem e emoção. Quando o glutamato atinge o próximo neurônio, ele pode fazer com que a célula dispare, continuando a cadeia de comunicação.

Dos fragmentos à conversa completa

Este processo pode ser comparado à queda de dominós, mas é muito mais complexo. Cada neurônio recebe informações de milhares de outros, e apenas certas combinações e padrões de atividade farão com que o neurônio receptor dispare. Com este novo sensor de proteínas, os cientistas podem agora identificar quais padrões de atividade recebida levam a essa resposta.

Até agora, observar estes sinais recebidos em tecido cerebral vivo era quase impossível. As tecnologias anteriores eram demasiado lentas ou não tinham a sensibilidade necessária para medir a atividade em sinapses individuais. Como resultado, os investigadores só puderam ver partes do processo de comunicação, e não a troca completa. Esta nova abordagem permite capturar toda a conversa.

Entendendo as conexões neurais

“É como ler um livro com todas as palavras embaralhadas e não entender a ordem das palavras ou como elas estão organizadas”, disse Kaspar Podgorski, Ph.D., principal autor do estudo e cientista sênior do Allen Institute. “Sinto que o que estamos fazendo aqui é adicionar as conexões entre esses neurônios e, ao fazer isso, agora entendemos a ordem das palavras nas páginas e o que elas significam”.

Antes de sensores de proteínas como o iGluSnFR4 estarem disponíveis, os pesquisadores só podiam medir os sinais de saída dos neurônios. Isto deixou uma grande lacuna na compreensão, uma vez que os sinais recebidos eram demasiado rápidos e demasiado fracos para serem detectados.

“Os neurocientistas têm maneiras muito boas de medir as conexões estruturais entre os neurônios e, em experimentos separados, podemos medir o que alguns neurônios do cérebro estão dizendo, mas não temos sido bons em combinar esses dois tipos de informação. É difícil medir o que os neurônios estão dizendo a quais outros neurônios”, disse Podgorski. “O que inventamos aqui é uma forma de medir a informação que chega aos neurônios de diferentes fontes, e isso tem sido uma parte crítica que falta na pesquisa em neurociência”.

Colaboração por trás da inovação

“O sucesso do iGluSnFR4 decorre de nossa estreita colaboração iniciada no Janelia Research Campus do HHMI entre a equipe do Projeto GENIE e o laboratório de Kaspar. Essa pesquisa se estendeu ao fenomenal trabalho de caracterização in vivo realizado pelo grupo de Dinâmica Neural do Allen Institute”, disse Jeremy Hasseman, Ph.D., cientista do Janelia Research Campus do HHMI. “Este foi um grande exemplo de colaboração entre laboratórios e institutos para permitir novas descobertas na neurociência.”

Uma nova janela para a função cerebral

Esta descoberta supera uma grande limitação da neurociência moderna, tornando possível observar diretamente como os neurônios recebem informações. Com o iGluSnFR4 agora disponível para pesquisadores através da Addgene, os cientistas têm uma nova ferramenta poderosa para explorar a função cerebral com mais detalhes. À medida que esta tecnologia se espalha, poderá ajudar a revelar respostas a algumas das questões mais persistentes do cérebro.