Há cerca de dez anos, os investigadores começaram a explorar uma ideia ousada: usar luz bioluminescente para ver o que o cérebro está a fazer em tempo real. Em vez de iluminar o tecido cerebral de fora, eles se perguntaram se os neurônios poderiam ser iluminados por conta própria.
“Começamos a pensar: ‘E se pudéssemos iluminar o cérebro por dentro?'”, disse Christopher Moore, professor de ciências do cérebro na Universidade Brown. “Piscadas de luz são usadas no cérebro para medir a atividade – geralmente através de um processo chamado fluorescência – ou para testar o papel que desempenham na condução da atividade nas células. Mas quando se trata de experimentos que disparam lasers no cérebro, muitas vezes requer hardware sofisticado e baixas taxas de sucesso. Pensamos que poderíamos usar a bioluminescência em vez disso.”
Construção do 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, Hubby reuniu colaboradores incluindo Moore (Diretor Associado do Kearney Institute), Diane Lipscomb (Diretora do Instituto), UT Hocheschigan (Universidade de Shanaut) e Universidade Central (Shanaut). Califórnia San Diego).
A equipe decidiu desenvolver e compartilhar novas ferramentas de neurociência, capacitando as células do sistema nervoso a gerar e responder à luz.
Uma nova ferramenta para visualizar o brilho dos neurônios
Em um estudo publicado pelo Dr. Método da naturezaOs pesquisadores descrevem uma nova ferramenta de imagem bioluminescente que desenvolveram. Chamada de Monitor de Atividade de Bioluminescência Ca2+ – ou “CaBLAM”, abreviadamente – a ferramenta pode capturar a atividade dentro de células individuais e até mesmo em pequenas regiões celulares em alta velocidade. Funciona de forma eficiente em ratos e peixes-zebra, suporta gravações que duram horas e não requer fonte de luz externa.
Shaner, professor associado de neurociência e farmacologia na UC San Diego, liderou o esforço para projetar o dispositivo molecular por trás do CaBLAM, disse Moore. “CaBLAM é uma molécula realmente incrível que Nathan desenvolveu”, disse Moore. “Faz jus ao seu nome.”
Por que é importante medir a atividade cerebral?
Rastrear a atividade das células cerebrais vivas é fundamental para entender como os organismos funcionam, explicou Moore. Hoje, a maneira mais comum de fazer isso depende de indicadores de íons de cálcio geneticamente codificados baseados em fluorescência.
“Da forma como a fluorescência funciona, você direciona raios de luz para alguma coisa e obtém um comprimento de onda diferente 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 de luz diferente, dependendo se o cálcio está presente 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 moléculas fluorescentes, fazendo com que elas não emitam mais luz suficiente, um problema conhecido como fotodegradação que limita o tempo de duração dos experimentos. Além disso, são necessários equipamentos como lasers e fibras ópticas para fornecer luz ao cérebro, tornando os testes mais invasivos.
Por que a bioluminescência oferece benefícios claros
A imagem bioluminescente funciona de maneira diferente. A luz é produzida 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 o procedimento seguro para tecidos cerebrais delicados.
Também produz uma imagem mais limpa.
“O tecido cerebral já brilha sozinho quando atingido pela luz externa, criando ruído de fundo”, disse Shaner. “Além disso, o tecido cerebral espalha a luz, desfocando os sinais de entrada e retorno da luz. Isso torna as imagens nas profundezas do cérebro mais escuras, confusas e mais difíceis. O cérebro não produz bioluminescência naturalmente, então, quando os neurônios projetados brilham sobre si mesmos, eles se destacam contra um fundo escuro sem qualquer interferência das próprias células cerebrais. Você só precisa ver a luz saindo, que está espalhada pelo tecido para ver. Fácil.”
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.
Insights que tornaram o CaBLAM possível
“O artigo atual é interessante por vários motivos”, disse Moore. “Essas novas moléculas fornecem, pela primeira vez, a capacidade de ativar células individuais de forma independente, quase como se você estivesse usando uma câmera de cinema especial e sensível para registrar a atividade cerebral enquanto ela acontece”.
Usando o CaBLAM, os pesquisadores podem observar como um único neurônio se comporta dentro de um organismo vivo, incluindo a atividade de 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 ou aprender comportamentos complexos, 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 desenvolver novas formas de monitorar e controlar a atividade cerebral. Um experimento envolve uma célula viva enviando um flash de luz que pode detectar uma célula próxima, permitindo que os neurônios se comuniquem usando 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 se desenvolviam, os pesquisadores perceberam que todos dependiam de sensores de cálcio mais brilhantes e eficientes. Essa necessidade tornou-se um foco central do trabalho do centro, disse Moore.
“Temos certeza de que, como centro que está tentando avançar no campo, construímos os componentes necessários”, disse Moore.
Uma ferramenta com amplas possibilidades
Moore acredita que o CaBLAM poderia eventualmente ser aplicado ao estudo da atividade em outras partes do corpo fora da neurociência.
“Este avanço permite toda uma nova gama de opções para observar como o cérebro e o corpo funcionam”, disse Moore, “incluindo o rastreamento da atividade em múltiplas partes do corpo simultaneamente”.
Ele acrescentou que esta conquista destaca o poder 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.
