Sondas optogenéticas geram imagens da atividade cerebral

Visualization of activity of neuronal cell population (a) Voltage-sensitive fluorescent proteins expressed in nerve cell. When genes producing VSFPs are injected into a specific type of cell (left) and the cell is exposed to fluorescent light, that cell e
[Imagem: Riken]

Sensor fluorescente

Cientistas do laboratório Riken, no Japão, desenvolveram um sensor fluorescente geneticamente codificado que funciona como um indicador óptico direto da atividade neural no cérebro.

A nova sonda promete ajudar os neurocientistas a identificar e monitorar o comportamento dos circuitos neurais envolvidos na atividade motora, na percepção sensorial e em funções cognitivas, permitindo o aprimoramento de interfaces neurais e a criação de interfaces cérebro-computador mais precisas.

Proteínas fluorescentes

Historicamente, os cientistas têm estudado a atividade elétrica do cérebro utilizando uma abordagem invasiva, que envolve a inserção de eletrodos metálicos. Embora visualmente sejam minúsculos, suas dimensões são muito grandes em relação às células nervosas individuais, o que tem limitado o número de locais onde a atividade neuronal pode ser observada.

Técnicas de imageamento óptico podem superar essa limitação ao utilizar sondas de tamanho molecular, capazes de transformar os sinais elétricos dos neurônios em sinais ópticos, por sua vez capturados na forma de uma imagem.

Thomas Knöpfel e seus colegas criaram proteínas fluorescentes sensíveis à tensão elétrica (VSFP: Voltage-Sensitive Fluorescent Proteins) que fazem justamente isso, transformando os sinais elétricos dos neurônios em sinais ópticos por meio de um fenômeno conhecido como transferência de energia por ressonância de Förster.

Essas sondas biológicas são proteínas sintéticas encontradas no interior das membranas dos neurônios, onde se fundem a duas proteínas fluorescentes diferentes. Quando ocorre uma sinapse, a alteração no potencial elétrico do neurônio força as VSFPs a se rearranjarem em uma configuração que provoca uma alteração facilmente detectável no sinal óptico gerado pelas proteínas sintéticas.

Sondas ópticas

Embora sejam conhecidas há cerca de 10 anos, só agora os pesquisadores conseguiram utilizar as sondas optogenéticas para gerar imagens do cérebro de um animal vivo. Até agora, elas só haviam demonstrado sua funcionalidade em culturas de tecido in vitro, que são bidimensionais.

As sondas foram inseridas em subconjuntos específicos de neurônios corticais de camundongos, em uma área do cérebro chamada córtex somatossensorial. Cada bigode do camundongo é ligado a circuitos neuronais específicos no córtex somatossensorial, e os pesquisadores descobriram que podem facilmente detectar alterações na tensão das membranas das células desses circuitos conforme cada bigode é manipulado.

Com base nesses experimentos, eles puderam reconstruir os mapas das populações celulares que operam como "áreas receptoras" para cada bigode individual.

Atividade dos neurônios

Como são geneticamente codificadas, as VSFPs têm diversas vantagens sobre outras abordagens comumente usadas para monitorar a atividade neuronal. Elas podem ser essencialmente "programadas" para se expressar seletivamente dentro de subtipos específicos de neurônios ou regiões específicas do cérebro.

Isso permite seu uso para mapear os circuitos neurais de longo alcance, que se estendem por distâncias consideráveis, ao contrário dos corantes fluorescentes, que marcam as células indistintamente, sem qualquer especificidade, e só podem ser aplicadas dentro de um volume relativamente limitado do cérebro.

Dado o alto grau de resolução espacial e temporal exibido pelas VSFPs, gerando imagens de qualidade muito elevada, os pesquisadores estão confiantes de que esta será uma ferramenta útil para os cientistas entenderem como os padrões de atividade neuronal se correlacionam com o comportamento ou com alterações fisiológicas no cérebro.