Uma maneira revolucionária de espiar os neurônios no interior do cérebro

MIT cria novo método para imagem cerebral não invasiva intracelular profunda

Fonte: café / pixabay

Uma grande barreira na neurociência é a capacidade de os pesquisadores conduzirem estudos em um cérebro vivo e funcionando sem a cirurgia ou implantando sondas. Hoje, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) anunciaram um novo método para monitorar sinais neuronais em um cérebro vivo de forma não invasiva e publicaram suas descobertas científicas na Nature Communications.

Como os neurocientistas observam os neurônios?

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Cientistas modernos vêm estudando neurônios usando imagens de cálcio há muitos anos. O cálcio é um bom indicador porque os níveis de concentração de cálcio nos neurônios são mensuravelmente diferentes quando em repouso do que quando ativos. O nível de concentração intracelular de cálcio nos neurônios de mamíferos é de cerca de 50-100 nanomolar em repouso e de 10 a 100 vezes maior quando excitado.

Freqüentemente neurocientistas visualizam a atividade de neurônios para pesquisa não invasiva em um laboratório com células cultivadas. Embora seja possível observar a atividade em profundidades rasas de aproximadamente um milímetro no tecido intacto, aprofundar-se requer técnicas mais invasivas que possam envolver a cirurgia para instalar as sondas.

O que faz desta descoberta um avanço?

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Alan Jasanoff, professor do MIT e autor sênior do artigo, descreve a descoberta de sua pesquisa como a “primeira detecção baseada em ressonância magnética da sinalização de cálcio intracelular” para permitir medições de atividade dentro de um cérebro vivo.

Os outros membros da pesquisa incluem Ali Barandov e Benjamin B. Bartelle (autores principais), juntamente com as colaboradoras Catherine G. Williamson, Emily S. Loucks e Stephen J. Lippard.

A equipe criou uma maneira original de visualizar a atividade dos neurônios em animais vivos de forma profunda e não invasiva. O principal diferencial é que esse sensor não invasivo de imagem por ressonância magnética (MRI) funciona intracelularmente, dentro dos neurônios, versus fora da célula. Agora, os neurocientistas têm um método para estudar não apenas os neurônios amplamente, mas também profundamente nos cérebros de animais vivos, sem a necessidade de cirurgia nem sondas invasivas.

Como a equipe do MIT fez isso?

Aqui é onde a química, a física e a compreensão da tecnologia de ressonância magnética magnética desempenham um papel crítico na descoberta.

A ressonância magnética funciona manipulando os prótons (partículas subatômicas carregadas positivamente) no corpo. O corpo humano é principalmente água, cuja fórmula química é H20 (dois átomos de hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio). O corpo do adulto médio é em torno de 60-70 por cento de água e 75 por cento em crianças. Quando o corpo humano é colocado em um poderoso campo magnético, os prótons no centro de cada um dos átomos de hidrogênio do corpo se alinham na mesma direção.

Pequenas rajadas de ondas de rádio são distribuídas para áreas-alvo do corpo, interrompendo o alinhamento dos prótons no processo. Depois que as ondas de rádio são interrompidas, os prótons que se realinham transmitem sinais de rádio que contêm informações sobre a localização e o tipo de tecido do próton – prótons em vários tipos de tecidos se realinham em velocidades variáveis ​​com sinais distintos. Os sinais de prótons da imagem.

Para melhorar a qualidade da imagem, é necessário maior contraste. Agentes de contraste químicos de elementos metálicos são usados ​​com um quelante para melhorar as imagens de ressonância magnética. Os quelantes servem como um aglutinante para impedir que o metal se estabeleça no corpo humano como medida de segurança.

A chave para a solução dos pesquisadores do MIT é que eles criaram um indicador que pode penetrar nas paredes celulares de um neurônio e criar um sinal que pode ser captado pela ressonância magnética baseada na concentração de cálcio dentro das células.

Os pesquisadores do MIT criaram um sensor de cálcio permeável às células para RM molecular dependente de cálcio usando uma combinação de um agente de contraste feito de manganês (um metal) com um composto orgânico e um quelante de cálcio que pode formar ligações a um íon metálico.

Quando os neurônios estão em repouso e a concentração de cálcio no interior é relativamente baixa, o quelante de cálcio formará ligações químicas com o manganês.

Mas quando o neurônio é excitado e a concentração de cálcio dentro da célula é significativamente maior, a ligação do quelante de cálcio com o manganês se libertará para formar ligações com o cálcio.

O aumento do manganês dentro da célula aumentará o contraste e, portanto, o brilho da imagem da ressonância magnética. Os sensores da equipe são capazes de identificar e monitorar essas mudanças.

Por que essa descoberta é importante?

Os pesquisadores criaram um útil para permitir estudos neurocientíficos de precisão. Em vez de rastrear as mudanças no fluxo sanguíneo no cérebro através da ressonância magnética funcional (fMRI), os cientistas podem agora medir a sinalização que ocorre dentro das células, o que é muito mais preciso.

Os mecanismos exatos de como o cérebro funciona permanecem em grande parte, uma caixa preta. Ter um método para examinar o funcionamento interno das profundezas do cérebro é vital.

A neurociência é uma área crítica da pesquisa científica que afeta muitas outras disciplinas. É um ramo multidisciplinar da biologia que integra psicologia, farmacologia bioquímica, citologia, biologia molecular, modelagem matemática, biologia do desenvolvimento e anatomia.

As descobertas na neurociência levam ao avanço da medicina, biotecnologia, produtos farmacêuticos e até da tecnologia. Por exemplo, o recente boom na inteligência artificial (IA) é em grande parte devido à aprendizagem profunda, que é um método de aprendizado de máquina que consiste em elementos estruturais, como camadas de redes neurais e nós (análogos aos neurônios) que foram inspirados pelo cérebro biológico.

A demografia do mundo está mudando, colocando uma ênfase maior na neurociência – o estudo do cérebro e do sistema nervoso. Até 2050, pessoas com 60 anos ou mais representarão quase 25% ou mais da população em todas as regiões do mundo, exceto a África, de acordo com estimativas da Organização das Nações Unidas (ONU).

As doenças e distúrbios relacionados à idade são um problema crescente à medida que a idade média da população mundial aumenta. As questões de saúde mental comuns aos adultos mais velhos incluem demência, doença de Alzheimer, Parkinson, convulsões, transtorno bipolar, esquizofrenia, depressão, ansiedade, ELA (doença de Lou Gehrig) e comprometimento cognitivo. Isso ressalta uma maior necessidade de estudos neurocientíficos para resolver esse problema crescente.

Existem muitas questões não respondidas em relação ao cérebro. O que acontece em nosso cérebro quando dormimos, sonhamos ou nos submetemos a uma anestesia geral? Qual é a base neural da percepção? Como o cérebro forma uma única experiência consciente a partir de vários inputs sensoriais distribuídos? Qual é a própria natureza da consciência em si? Entender o funcionamento interno dos neurônios em um cérebro vivo pode levar a soluções futuras que melhorem a condição humana e ajudar a responder alguns dos maiores mistérios que confundem a humanidade.

E é assim que ter a capacidade de investigar profundamente a atividade intracelular dos neurônios no cérebro de maneira não invasiva pode levar a avanços científicos que têm um impacto profundo no futuro da própria humanidade.

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Referências

Barandov, Ali, Bartelle, Benjamim B., Williamson, Catarina G., Loucks, Emily S., Lippard, Stephen J., Jasanoff, Alan. “Sensing íons de cálcio intracelular usando um agente de contraste MRI à base de manganês.” Nature Communications. 22 de fevereiro de 2019.

Trafton, Anne (2019, 22 de fevereiro). “Novo sensor de ressonância magnética pode imagem atividade profunda dentro do cérebro.” Recuperado 2-22-20109 de http://news.mit.edu/2019/mri-calcium-sensor-image-brain-0222

Grienberger, Christine, Konnerth, Arthur. “Imaging Calcium in Neurons”. Neuron . 8 de março de 2012.

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