O novo método “Badass” usa uma proteína magnetizada para ativar as células cerebrais de forma rápida, reversível e não invasiva
A câmara magnética toroidal (Tokamak) do Joint European Torus (JET) no Culham Science Center. Fotografia: AFP / Getty Images
Mo Costandi — Publicado pelo The Guardian
Pesquisadores nos Estados Unidos desenvolveram um novo método para controlar os circuitos cerebrais associados a comportamentos animais complexos, usando engenharia genética para criar uma proteína magnetizada que ativa grupos específicos de células nervosas à distância.
Entender como o cérebro gera comportamento é um dos objetivos finais da neurociência – e uma de suas questões mais difíceis. Nos últimos anos, os pesquisadores desenvolveram uma série de métodos que os permitem controlar remotamente grupos específicos de neurônios e sondar o funcionamento dos circuitos neuronais.
O mais poderoso deles é um método chamado optogenética , que permite aos pesquisadores ligar ou desligar populações de neurônios relacionados em uma escala de tempo de milissegundo a milissegundo com pulsos de luz laser. Outro método desenvolvido recentemente, chamado quimogenética , usa proteínas projetadas que são ativadas por drogas projetadas e podem ser direcionadas a tipos específicos de células.
Embora poderosos, ambos os métodos têm desvantagens. A optogenética é invasiva, exigindo a inserção de fibras ópticas que entregam os pulsos de luz ao cérebro e, além disso, a extensão em que a luz penetra no tecido cerebral denso é severamente limitada. As abordagens quimiogenéticas superam essas duas limitações, mas normalmente induzem reações bioquímicas que levam vários segundos para ativar as células nervosas.
A nova técnica, desenvolvida no laboratório de Ali Güler na University of Virginia em Charlottesville, e descrita em uma publicação online avançada na revista Nature Neuroscience , não é apenas não invasiva, mas também pode ativar neurônios de forma rápida e reversível.
Vários estudos anteriores mostraram que as proteínas das células nervosas que são ativadas por calor e pressão mecânica podem ser geneticamente modificadas para que se tornem sensíveis a ondas de rádio e campos magnéticos , anexando-os a uma proteína armazenadora de ferro chamada ferritina, ou a partículas paramagnéticas inorgânicas . Esses métodos representam um avanço importante – eles já foram, por exemplo, usados para regular os níveis de glicose no sangue em camundongos – mas envolvem vários componentes que devem ser introduzidos separadamente.
A nova técnica se baseia neste trabalho anterior e é baseada em uma proteína chamada TRPV4, que é sensível tanto à temperatura quanto às forças de alongamento . Esses estímulos abrem seu poro central, permitindo que a corrente elétrica flua através da membrana celular; isso evoca impulsos nervosos que viajam para a medula espinhal e, em seguida, para o cérebro.
Güler e seus colegas raciocinaram que as forças de torque magnético (ou rotativas) podem ativar o TRPV4 puxando seu poro central, e então eles usaram a engenharia genética para fundir a proteína à região paramagnética da ferritina, junto com sequências curtas de DNA que sinalizam as células para transportar proteínas na membrana da célula nervosa e inseri-las nela.
Quando eles introduziram essa construção genética em células renais embrionárias humanas crescendo em placas de Petri, as células sintetizaram a proteína ‘Magneto’ e a inseriram em sua membrana. A aplicação de um campo magnético ativou a proteína TRPV1 projetada, como evidenciado por aumentos transitórios na concentração de íons de cálcio dentro das células, que foram detectados com um microscópio de fluorescência.
Em seguida, os pesquisadores inseriram a sequência de DNA do Magneto no genoma de um vírus, junto com o gene que codifica a proteína fluorescente verde e sequências de DNA regulatórias que fazem com que a construção seja expressa apenas em tipos específicos de neurônios. Eles então injetaram o vírus no cérebro de camundongos, visando o córtex entorrinal, e dissecaram os cérebros dos animais para identificar as células que emitiam fluorescência verde. Usando microeletrodos, eles mostraram que a aplicação de um campo magnético nas fatias do cérebro ativou Magneto para que as células produzissem impulsos nervosos.
Para determinar se Magneto pode ser usado para manipular a atividade neuronal em animais vivos, eles injetaram Magneto em larvas de peixe-zebra, visando neurônios no tronco e cauda que normalmente controlam uma resposta de escape. Eles então colocaram as larvas do peixe-zebra em um aquário magnetizado especialmente construído e descobriram que a exposição a um campo magnético induzia manobras de enrolamento semelhantes às que ocorrem durante a resposta de fuga. (Este experimento envolveu um total de nove larvas de peixe-zebra, e análises subsequentes revelaram que cada larva continha cerca de 5 neurônios que expressam Magneto.)
Em um experimento final, os pesquisadores injetaram Magneto no corpo estriado de camundongos que se comportavam livremente, uma estrutura cerebral profunda contendo neurônios produtores de dopamina que estão envolvidos na recompensa e motivação, e então colocaram os animais em um aparelho dividido em seções magnetizadas e não magnetizadas . Os camundongos que expressam Magneto passaram muito mais tempo nas áreas magnetizadas do que os que não o fizeram, porque a ativação da proteína fez com que os neurônios do estriado que a expressassem liberassem dopamina, de modo que os camundongos descobriram estar nessas áreas gratificantes. Isso mostra que Magneto pode controlar remotamente o disparo de neurônios nas profundezas do cérebro, e também controlar comportamentos complexos.
O neurocientista Steve Ramirez, da Universidade de Harvard, que usa a optogenética para manipular memórias no cérebro de camundongos, diz que o estudo é “ durão ”.
“As tentativas anteriores [usando ímãs para controlar a atividade neuronal] precisavam de vários componentes para o sistema funcionar – injeção de partículas magnéticas, injeção de um vírus que expressa um canal sensível ao calor [ou] fixação da cabeça do animal para que uma bobina pudesse induzir mudanças no magnetismo ”, explica ele. “O problema de ter um sistema multicomponente é que há muito espaço para cada peça individual quebrar.”
“Este sistema é um vírus único e elegante que pode ser injetado em qualquer parte do cérebro, o que torna tecnicamente mais fácil e menos provável a quebra de sinos e assobios”, acrescenta, “e seu equipamento comportamental foi habilmente projetado para conter ímãs quando apropriado, para que os animais possam se mover livremente. ”
A ‘magnetogenética’ é, portanto, um acréscimo importante à caixa de ferramentas dos neurocientistas, que sem dúvida será mais desenvolvida e fornecerá aos pesquisadores novas maneiras de estudar o desenvolvimento e a função do cérebro.
Os neurocientistas da UCL desenvolveram um método ‘totalmente óptico’ para o registro simultâneo e alteração dos impulsos nervosos no cérebro vivo.
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