Como capturar atividade de neurônios em conjunto

Criador do projeto BAM (Brain Activity Map ou Mapa da Atividade Cerebral), que pretende mapear todo o cérebro e gerar um imenso banco de dados, o neurocientista hispano-americano Rafael Yuste, da Universidade de Columbia, tem planos ambiciosos – ele pretende revolucionar o campo da neurociência observando como os neurônios se comportam em conjunto.

Os circuitos do cérebro podem envolver milhões dessas células nervosas. Então é provável que os esses grupos de neurônios funcionem de forma muito complexa, como uma orquestra sinfônica – o que será invisível a partir de gravações de neurônio único.

Monitorar a comunicação entre os neurônios pode permitir a criação de implantes de “neurochips” capazes de operar membros artificiais em pessoas que perderam o movimento, reparar neurônios que funcionem mal e restaurar habilidades após um acidente vascular cerebral.

Sondas neurais

Em conjunto com outras áreas da ciência, como a química e a física, os neurocientistas têm trabalhado com diversas técnicas para captar a atividade dos neurônios. Yuste lembra que normalmente são usados eletrodos para analisar a atividade cerebral de um ou alguns neurônios em uma determinada região do cérebro.

O problema, segundo ele, é que os neurônios não funcionam isoladamente. Eles estão sujeitos a arranjos contínuos e dinâmicos, participando em momentos diferentes em diferentes circuitos.

É possível de registrar a atividade de neurônios em conjunto por sonda neural de silício, segundo Jiangang Du, do Instituto de Tecnologia da Califórnia. Sondas neurais em silício são compostas por várias dezenas de eletrodos que são implantados no cérebro e que permitem a visualização direta da atividade de neurônios como nunca antes. A vantagem é que elas já são produzidas comercialmente.

Outra alternativa criada pelos cientistas é o registro não invasivo da atividade dos neurônios. Isso é possível graças à biologia sintética, que pode permitir uma opção sem fio para captar e transmitir a atividade neural com o uso de um pequeno transmissor elétrico.

Neuroimagem

Embora, as tecnologias de neuroimagem possam capturar padrões de atividade do cérebro inteiro, essas técnicas não são capazes de registrar a atividade de uma célula única e não possuem resolução necessária para detectar padrões de disparo dos neurônios.

Por outro lado, as técnicas ópticas são menos invasivas podem fornecer grande flexibilidade, têm resolução para uma única celula e podem ser aplicadas em preparações vivas, de acordo com o neurocientista Fritjof Helmchen, da Universidade de Zurique, na Suíça.

Em seu grupo de pesquisa, o neurocientista trabalha com a aplicação da  computação para mapear a atividade do cérebro de mamíferos. O carro-chefe do pesquisador são os métodos de imagem ótica para medição da dinâmica cerebral. O objetivo é compreender as funções sensoriais e motoras do cérebro.

Imagens de voltagem

Outra técnica muito empregada são as imagens de cálcio. Elas refletem a atividade elétrica dos neurônios, que geram movimento de cálcio dentro deles. O método é obtido por meio de emissão de fluorescência de proteínas especiais. As imagens de cálcio foram estudadas pelo o cientista Darcy Peterka, diretor de tecnologias da Universidade de Columbia, que desenvolve estudos sobre imagens celulares em parceria com Yuste.

“As imagens de cálcio, embora úteis, podem apenas aproximar os sinais de funcionamento real dos neurônios, e é preferível capturar a atividade completa de um circuito por imagens de voltagem”, disse Yuste.

As chamadas imagens de voltagem podem medir os sinais elétricos dos neurônios a partir da fluorescência de proteínas. “Os métodos atuais para imagens de voltagem em circuitos de vertebrados, no entanto, não podem capturar potenciais de ação em grande escala com resolução de célula única”, observa.

Nanopartículas: antenas para a luz e os sinais ópticos

Já as nanopartículas podem funcionar como “antenas” para a luz e aumentar os sinais ópticos, segundo o pesquisador Vadym Mochalin, da Universidade de Drexel, nos Estados Unidos. As nanopartículas, ou pontos quânticos, são pequenos compostos inorgânicos que têm grande absorção e emissão altamente eficiente.

A pesquisa no grupo Mochalin está focada em conceitos de física e química envolvidos na criação de materiais em nanoescala. Os pesquisadores estão trabalhando juntos no desenvolvimento e compreensão de novos materiais para biomedicina.

“Elas são robustas durante a iluminação prolongada e podem ser muito sensíveis ao campo elétrico externo”, observa Yuste. Outras nanopartículas, como os nanodiamantes, podem fornecer uma sensibilidade ainda maior a campos magnéticos e elétricos.