Neurônios no cérebro comunicam-se através de impulsos elétricos rápidos que permitem ao cérebro coordenar comportamento, sensação, pensamentos e emoção. Os cientistas que querem estudar esta atividade elétrica geralmente medem estes sinais com eletrodos inseridos no cérebro, uma tarefa que é notoriamente difícil e demorada.
Os pesquisadores do MIT têm agora uma abordagem completamente diferente para medir a atividade elétrica no cérebro, que eles acreditam que será muito mais fácil e mais informativa. Eles desenvolveram uma proteína sensível à luz que pode ser embutida nas membranas dos neurônios, onde emite um sinal fluorescente que indica a voltagem que uma determinada célula está experimentando. Isso poderia permitir aos cientistas estudar como os neurônios se comportam, milissegundo por milissegundo, já que o cérebro desempenha uma determinada função.
“Se você colocar um eletrodo no cérebro, é como tentar entender uma conversa telefônica ouvindo apenas uma pessoa falar”, diz Edward Boyden, professor associado de engenharia biológica e ciências cerebrais e cognitivas do MIT. “Agora podemos registrar a atividade neural de muitas células em um circuito neural e ouvi-las enquanto falam umas com as outras”
Boyden, que também é membro do Media Lab do MIT, do McGovern Institute for Brain Research e do Koch Institute for Integrative Cancer Research, e bolsista da Faculdade HHMI-Simons, é o autor sênior do estudo, que aparece na edição de 26 de fevereiro da Nature Chemical Biology. Os autores principais do artigo são Kiryl Piatkevich e Erica Jung.
Tensão de Imagem
Nas últimas duas décadas, os cientistas têm procurado uma forma de monitorar a atividade elétrica no cérebro através de imagens, ao invés de registrar com eletrodos. Encontrar moléculas fluorescentes que possam ser usadas para este tipo de imagem tem sido difícil; não só as proteínas têm de ser muito sensíveis às mudanças de voltagem, como também têm de responder rapidamente e ser resistentes ao fotobleaching (desvanecimento que pode ser causado pela exposição à luz).
Boyden e os seus colegas chegaram a uma nova estratégia para encontrar uma molécula que preenchesse tudo o que está nesta lista de desejos: Eles construíram um robô que poderia rastrear milhões de proteínas, geradas através de um processo chamado evolução de proteínas direcionadas, para as características que eles queriam.
“Você pega um gene, depois faz milhões e milhões de genes mutantes, e finalmente escolhe aqueles que funcionam melhor”, diz Boyden. “É assim que a evolução funciona na natureza, mas agora estamos fazendo isso no laboratório com robôs para que possamos escolher os genes com as propriedades que queremos”.
Os pesquisadores fizeram 1,5 milhões de versões mutantes de uma proteína sensível à luz chamada QuasAr2, que foi previamente projetada pelo laboratório de Adam Cohen na Universidade de Harvard. (Esse trabalho, por sua vez, foi baseado na molécula Arch, que o laboratório de Boyden relatou em 2010). Os pesquisadores colocaram cada um desses genes em células de mamíferos (um mutante por célula), depois cultivaram as células em pratos de laboratório e usaram um microscópio automatizado para tirar fotos das células. O robô foi capaz de identificar células com proteínas que preenchiam os critérios que os pesquisadores estavam procurando, sendo o mais importante a localização da proteína dentro da célula e seu brilho.
A equipe de pesquisa então selecionou cinco dos melhores candidatos e fez outra rodada de mutação, gerando 8 milhões de novos candidatos. O robô escolheu os sete melhores destes, que os pesquisadores então estreitaram para um dos melhores desempenhos, que eles chamaram de Archon1.
Mapping the brain
Uma característica chave do Archon1 é que uma vez que o gene é entregue a uma célula, a proteína Archon1 se incorpora à membrana celular, que é o melhor lugar para se obter uma medida precisa da voltagem de uma célula.
Usando esta proteína, os pesquisadores foram capazes de medir a actividade eléctrica no tecido cerebral do rato, bem como nas células cerebrais de larvas de zebra e no verme Caenorhabditis elegans. Estes dois últimos organismos são transparentes, pelo que é fácil expô-los à luz e imaginar a fluorescência resultante. Quando as células são expostas a um determinado comprimento de onda de luz vermelha-alaranjada, o sensor de proteínas emite um comprimento de onda maior de luz vermelha, e o brilho da luz corresponde à voltagem daquela célula num dado momento no tempo.
Os pesquisadores também mostraram que Archon1 pode ser usado em conjunto com proteínas sensíveis à luz que são comumente usadas para silenciar ou estimular a atividade neuronal – estas são conhecidas como proteínas optogenéticas – desde que essas proteínas respondam a outras cores além do vermelho. Em experimentos com C. elegans, os pesquisadores demonstraram que eles poderiam estimular um neurônio usando luz azul e depois usar Archon1 para medir o efeito resultante em neurônios que recebem entrada daquela célula.
Cohen, o professor de Harvard que desenvolveu o predecessor de Archon1, diz que a nova proteína MIT aproxima os cientistas do objetivo de imaginar a atividade elétrica em uma escala de milissegundos de tempo em cérebros vivos.
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“Tradicionalmente, tem sido excruciantemente trabalhosa a engenharia de indicadores de tensão fluorescente, porque cada mutante tinha que ser clonado individualmente e depois testado através de uma lenta e manual medição eletrofisiológica com pinça de correção. O laboratório de Boyden desenvolveu uma abordagem muito inteligente de triagem de alto rendimento para este problema”, diz Cohen, que não estava envolvido neste estudo. “Seu novo repórter fica muito bem em peixes e minhocas e em fatias de cérebro”. Estou ansioso para tentar no meu laboratório”
Os pesquisadores estão agora trabalhando no uso desta tecnologia para medir a atividade cerebral em ratos enquanto eles realizam várias tarefas, o que Boyden acredita que deveria permitir-lhes mapear circuitos neurais e descobrir como eles produzem comportamentos específicos.
“Seremos capazes de ver um cálculo neural acontecer”, diz ele. “Nos próximos cinco anos, mais ou menos, vamos tentar resolver completamente alguns pequenos circuitos cerebrais”. Tais resultados podem dar um passo em direcção à compreensão do que é realmente um pensamento ou um sentimento”.
A investigação foi financiada pelo Programa de Bolsas de Estudo da Faculdade HHMI-Simons, o Prémio IET Harvey, o MIT Media Lab, o Prémio Robertson da New York Stem Cell Foundation, o Open Philanthropy Project, John Doerr, o Programa Científico da Fronteira Humana, o Departamento de Defesa, a National Science Foundation e os Institutos Nacionais de Saúde, incluindo um Prémio Pioneiro do Director do NIH.