Os pesquisadores geralmente estudam a função cerebral monitorando dois tipos de eletromagnetismo - campos elétricos e luz. Contudo, a maioria dos métodos para medir esses fenômenos no cérebro são muito invasivos.

Os engenheiros do MIT desenvolveram uma nova técnica para detectar a atividade elétrica ou sinais ópticos no cérebro usando um sensor minimamente invasivo para imagens de ressonância magnética (MRI).

A ressonância magnética é frequentemente usada para medir mudanças no fluxo sanguíneo que indiretamente representam a atividade cerebral, mas a equipe do MIT desenvolveu um novo tipo de sensor de ressonância magnética que pode detectar minúsculas correntes elétricas, bem como a luz produzida por proteínas luminescentes. (Impulsos elétricos surgem das comunicações internas do cérebro, e os sinais ópticos podem ser produzidos por uma variedade de moléculas desenvolvidas por químicos e bioengenheiros.)

"A ressonância magnética oferece uma maneira de sentir as coisas do lado de fora do corpo de uma forma minimamente invasiva, "diz Aviad Hai, um pós-doutorado do MIT e o principal autor do estudo. "Não requer uma conexão com fio ao cérebro. Podemos implantar o sensor e apenas deixá-lo lá."

Esse tipo de sensor pode dar aos neurocientistas uma maneira espacialmente precisa de localizar a atividade elétrica no cérebro. Também pode ser usado para medir a luz, e pode ser adaptado para medir produtos químicos como glicose, dizem os pesquisadores.

Alan Jasanoff, um professor de engenharia biológica do MIT, cérebro e ciências cognitivas, e ciência e engenharia nuclear, e membro associado do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT, é o autor sênior do artigo, que aparece na edição de 22 de outubro de Nature Biomedical Engineering . Os pós-doutorandos Virginia Spanoudaki e Benjamin Bartelle também são os autores do artigo.

Detectando campos elétricos

O laboratório de Jasanoff já desenvolveu sensores de ressonância magnética que podem detectar cálcio e neurotransmissores como serotonina e dopamina. Nesse artigo, eles queriam expandir sua abordagem para detectar fenômenos biofísicos, como eletricidade e luz. Atualmente, a maneira mais precisa de monitorar a atividade elétrica no cérebro é inserindo um eletrodo, que é muito invasivo e pode causar danos aos tecidos. A eletroencefalografia (EEG) é uma forma não invasiva de medir a atividade elétrica no cérebro, mas este método não pode identificar a origem da atividade.

Para criar um sensor que pudesse detectar campos eletromagnéticos com precisão espacial, os pesquisadores perceberam que poderiam usar um dispositivo eletrônico - especificamente, uma pequena antena de rádio.

A ressonância magnética funciona detectando ondas de rádio emitidas pelos núcleos dos átomos de hidrogênio na água. Esses sinais são geralmente detectados por uma grande antena de rádio em um scanner de ressonância magnética. Para este estudo, a equipe do MIT encolheu a antena de rádio para apenas alguns milímetros de tamanho para que pudesse ser implantada diretamente no cérebro para receber as ondas de rádio geradas pela água no tecido cerebral.

O sensor é inicialmente sintonizado na mesma frequência das ondas de rádio emitidas pelos átomos de hidrogênio. Quando o sensor capta um sinal eletromagnético do tecido, sua afinação muda e o sensor não corresponde mais à frequência dos átomos de hidrogênio. Quando isso acontece, uma imagem mais fraca surge quando o sensor é examinado por uma máquina de ressonância magnética externa.

Os pesquisadores demonstraram que os sensores podem captar sinais elétricos semelhantes aos produzidos por potenciais de ação (os impulsos elétricos disparados por neurônios individuais), ou potenciais de campo locais (a soma das correntes elétricas produzidas por um grupo de neurônios).

"Mostramos que esses dispositivos são sensíveis a potenciais de escala biológica, na ordem de milivolts, que são comparáveis ​​ao que o tecido biológico gera, especialmente no cérebro, "Jasanoff diz.

Os pesquisadores realizaram testes adicionais em ratos para estudar se os sensores poderiam captar sinais em tecido cerebral vivo. Para esses experimentos, eles projetaram os sensores para detectar a luz emitida por células projetadas para expressar a proteína luciferase.

Normalmente, a localização exata da luciferase não pode ser determinada quando ela está nas profundezas do cérebro ou em outros tecidos, então, o novo sensor oferece uma maneira de expandir a utilidade da luciferase e localizar com mais precisão as células que estão emitindo luz, dizem os pesquisadores. A luciferase é comumente projetada em células junto com outro gene de interesse, permitindo aos pesquisadores determinar se os genes foram incorporados com sucesso medindo a luz produzida.

Sensores menores

Uma grande vantagem deste sensor é que ele não precisa carregar nenhum tipo de fonte de alimentação, porque os sinais de rádio emitidos pelo scanner externo de ressonância magnética são suficientes para alimentar o sensor.

Hai, que se juntará ao corpo docente da Universidade de Wisconsin em Madison em janeiro, planeja miniaturizar ainda mais os sensores para que mais deles possam ser injetados, permitindo a geração de imagens de campos elétricos ou de luz em uma área maior do cérebro. Nesse artigo, os pesquisadores realizaram modelagem que mostrou que um sensor de 250 mícrons (alguns décimos de milímetro) deve ser capaz de detectar atividade elétrica da ordem de 100 milivolts, semelhante à quantidade de corrente em um potencial de ação neural.

O laboratório de Jasanoff está interessado em usar este tipo de sensor para detectar sinais neurais no cérebro, e eles imaginam que também poderia ser usado para monitorar fenômenos eletromagnéticos em outras partes do corpo, incluindo contrações musculares ou atividade cardíaca.

"Se os sensores fossem da ordem de centenas de mícrons, que é o que a modelagem sugere que está no futuro para esta tecnologia, então você pode imaginar pegar uma seringa e distribuir um monte deles e simplesmente deixá-los lá, "Jasanoff diz." O que isso faria é fornecer muitas leituras locais, tendo sensores distribuídos por todo o tecido. "