Uma equipe de neurocientistas da University College London desenvolveu uma nova maneira de registrar e manipular simultaneamente a atividade de várias células no cérebro de animais vivos usando pulsos de luz.
A técnica, descrita hoje na revista Nature Methods , combina duas neurotecnologias de última geração existentes. Pode eventualmente permitir que os pesquisadores acabem com os microeletrodos incômodos que tradicionalmente usavam para sondar a atividade neuronal e interroguem o funcionamento do cérebro no nível celular em tempo real e com detalhes sem precedentes.
Um deles é a optogenética. Isso envolve a criação de camundongos geneticamente modificados que expressam proteínas de algas chamadas Channelrhodopsinas em grupos específicos de neurônios. Isso torna as células sensíveis à luz, permitindo aos pesquisadores ligá-las ou desligá-las, dependendo de qual proteína Channelrodopsina elas expressam e de qual comprimento de onda de luz é usado. Isso pode ser feito em uma escala de tempo de milissegundo por milissegundo, usando pulsos de luz laser lançados no cérebro dos animais por meio de uma fibra óptica.
Os corantes sensíveis ao cálcio são injetáveis, portanto, direcioná-los com precisão é difícil e, mais recentemente, os pesquisadores desenvolveram sensores de cálcio codificados geneticamente para superar essa limitação. Os camundongos podem ser geneticamente modificados para expressar essas proteínas sensíveis ao cálcio em grupos específicos de células; como os corantes antes deles, eles também fluorescem em resposta a aumentos nas concentrações de íons de cálcio nas células que os expressam.
Cada um desses métodos é extremamente poderoso quando usado sozinho. No início deste ano, por exemplo, pesquisadores do MIT usaram optogenética para rotular e, em seguida, manipular as populações neuronais que codificam memórias no cérebro do rato, enquanto uma equipe da Janelia Farm usou imagens de cálcio para visualizar o disparo de cada neurônio no cérebro do peixe-zebra embrionário.
Adam Packer e seus colegas criaram uma linhagem de camundongos que expressa a proteína Channelrhodopsina e uma proteína ultrassensível de ligação ao cálcio em neurônios no córtex barril, a parte do cérebro que recebe informações sensoriais dos bigodes. Dessa forma, eles poderiam ativar optogeneticamente células específicas enquanto também usavam imagens de cálcio de alta velocidade para visualizar como elas e outras células da população reagem à estimulação, através de ‘janelas’ transparentes raspadas nos crânios dos animais.
A combinação de métodos permitiu aos pesquisadores determinar quais neurônios contribuem para uma função específica e, em seguida, direcioná-los com muita precisão. Para demonstrar a precisão da técnica, eles usaram um dispositivo programável chamado modulador de luz espacial que divide o feixe de luz em um holograma consistindo de ‘feixes’ menores e, em seguida, ativou simultaneamente seis neurônios dispostos em forma de um rosto sorridente.
Existem outras maneiras de ler e escrever simultaneamente a atividade neuronal, mas elas têm desvantagens. Microeletrodos sozinhos podem ser usados para estimular algumas células e registrar de outras, ou eletrodos estimulantes podem ser combinados com uma técnica de imagem. Isso produz interferência entre os canais de entrada e saída, no entanto, que pode afetar os resultados.
Com a nova abordagem, a frequência da luz usada para estimular os neurônios não se sobrepõe à emitida pelo sensor de cálcio, então há interferência mínima entre os dois canais, e o feixe de luz holográfico estimula os neurônios com um procedimento de ‘varredura rápida’ que dura apenas 2 femtossegundos (bilionésimos de segundo), o que reduz ainda mais a interferência.
Os experimentos mostram que o novo método totalmente óptico pode, de fato, ser usado para gravar e interferir simultaneamente na atividade de populações neuronais. Eles também mostram que pode ser usado continuamente por várias semanas, ou mesmo meses, em animais acordados e comportados. Os pesquisadores sem dúvida continuarão a desenvolver e aprimorar o método, a fim de aprender mais sobre a ligação entre o cérebro e o comportamento e decifrar os códigos neurais correspondentes.
“Estamos entusiasmados com isso”, diz o autor sênior Michael Häusser. “Ele une duas revoluções na neurociência e anuncia uma nova era em que podemos abandonar os eletrodos e usar apenas a luz para sondar os circuitos neurais durante o comportamento.”
Referência: Wheeler, MA, et al . (2016). Controle magnético do sistema nervoso com alvos genéticos. Nat. Neurosci ., DOI: 10.1038 / nn.4265 [ Resumo ]
Referência : Packer, AM, et al . (2014). Manipulação totalmente óptica simultânea e registro da atividade do circuito neural com resolução celular in vivo. Nat. Métodos , publicação online avançada. DOI: 10.1038 / Nmeth.3217
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