Pacientes submetidos a uma tomografia por emissão de pósitrons (PET) no volumoso de hoje, as máquinas em formato de donut devem permanecer completamente imóveis. Por causa disso, os cientistas não podem usar os scanners para descobrir ligações entre o movimento e a atividade cerebral. O que acontece lá em cima quando balançamos a cabeça em concordância ou apertamos as mãos? Em que os cérebros das pessoas que lutam para andar após um derrame são diferentes daqueles que conseguem?

Para resolver questões como essas, Julie Brefczynski-Lewis, um neurocientista da West Virginia University (WVU), fez parceria com Stan Majewski, um físico da WVU e agora na Universidade da Virgínia, para desenvolver um scanner cerebral PET miniaturizado. O scanner pode ser "usado" como um capacete, permitindo que os sujeitos da pesquisa fiquem de pé e façam movimentos enquanto o dispositivo faz a varredura. Este scanner de Tomografia de Emissão de Pósitrons de Microdose Ambulatorial (AMPET) pode lançar novos estudos psicológicos e clínicos sobre como o cérebro funciona quando afetado por doenças desde a epilepsia ao vício, e durante as interações sociais comuns e disfuncionais.

"Existem tantas possibilidades, "disse Brefczynski-Lewis, "Os cientistas poderiam usar AMPET para estudar Alzheimer ou lesões cerebrais traumáticas, ou mesmo nosso senso de equilíbrio. Queremos empurrar os limites da mobilidade de imagem com este dispositivo. "

A ideia foi gerada por um scanner desenvolvido para estudar ratos, um projeto iniciado em 2002 no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE). Majewski, um físico de alta energia por treinamento, originalmente soube do projeto "RatCAP" de Brookhaven porque ele fazia parte dos mesmos círculos físicos de vários membros da equipe RatCAP.

"Aprendi o que meus amigos e colegas de Brookhaven estavam fazendo, "disse Majewski, "e decidi construir o mesmo tipo de dispositivo para humanos."

Começos de Brookhaven

PET Animal Consciente de Rato, ou RatCAP, scanner é um anel de 250 gramas que se encaixa na cabeça de um rato, suspenso por molas para suportar seu peso e deixar o rato correr enquanto o dispositivo faz a varredura. Nora Volkow, chefe da divisão de Ciências da Vida de Brookhaven na época, teve a ideia de criar imagens dos cérebros de animais acordados e em movimento.

"Eu queria fazer exames de PET em animais sem ter que usar anestesia, "disse Volkow, que agora é o Diretor do Instituto Nacional de Abuso de Drogas. Ao contrário dos humanos, não se pode dizer aos animais que simplesmente fiquem parados em um scanner. Mas a anestesia necessária para fazê-los mentir ainda confunde os resultados. "Afeta a distribuição do radiotraçador PET e inibe os neurônios, "Volkow disse. Um scanner vestível, Contudo, se moveria com o cérebro do animal e eliminaria a necessidade de anestesia (veja COMO FUNCIONA O ANIMAL DE ESTIMAÇÃO). Volkow contou com a ajuda de cientistas e engenheiros de Brookhaven para tornar a ideia realidade.

Partículas de rastreamento

Felizmente, há uma grande sobreposição entre imagens médicas e física nuclear, um assunto em que o Brookhaven Lab é líder mundial. Hoje, os físicos do Laboratório usam tecnologia semelhante aos scanners PET do Colisor de Íons Pesados ​​Relativísticos (RHIC), onde eles devem rastrear as partículas que voam de colisões próximas à velocidade da luz de núcleos carregados. A pesquisa de PET no Laboratório remonta ao início dos anos 1960 e inclui a criação do primeiro scanner de plano único, bem como várias moléculas traçadoras.

"Ambos os campos pensam nas mesmas coisas - como funcionam os fotodetectores, como funcionam os cristais cintilantes, como a eletrônica funciona, "disse o físico de Brookhaven Craig Woody." Scanners PET, bem como CT [tomografia computadorizada] e MRI [imagem por ressonância magnética], são usados ​​por médicos, mas são construídos por físicos detectores. "

Woody, que agora está trabalhando em um novo detector de partículas para RHIC, liderou o projeto RatCAP com David Schlyer e Paul Vaska. No momento, Schlyer e Vaska eram chefes das operações de ciclotron de Brookhaven e da física PET, respectivamente. Schlyer é agora um cientista emérito no Lab e Vaska é um professor de engenharia biomédica na Stony Brook University.

Ao projetar o scanner de pequena escala, a equipe usou avanços recentes na tecnologia de detector. Por exemplo, eles usaram cristais densos para converter os fótons gama gerados por interações pósitron-elétron em luz visível, junto com pequenos sensores de detecção de luz chamados fotodiodos de avalanche. Eles também usaram eletrônicos especiais desenvolvidos em Brookhaven e integrados ao compacto, detector de PET leve. Suspender a estrutura em longas molas ajudou a suportar seu peso, de forma que os ratos pudessem "desgastar" o scanner enquanto se moviam facilmente.

"Foi um esforço muito colaborativo, "disse Schlyer, quem produziu os radioisótopos necessários para as varreduras. "Tínhamos gente da física, biologia, química, Medicina, e engenharia elétrica. "

De ratos a chapéus

A notícia se espalhou sobre o RatCAP enquanto os cientistas apresentavam seu progresso em conferências e reuniões. Stan Majewski, em seguida, no Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) do DOE, tomou conhecimento. Ele estava trabalhando em novos métodos de imagem do câncer de mama, aplicando sua experiência em detector de física de alta energia ao campo médico.

"Eu conhecia Stan há muito tempo - trabalhamos juntos no CERN, o laboratório europeu de física nuclear, "disse Woody." Eu tenho que dar crédito a ele porque ele estava constantemente dizendo 'você realmente deveria fazer física médica'. "

Majewski observou que a gestão do Jefferson Lab apoiou muito o projeto e forneceu algum dinheiro inicial, mesmo depois que ele se mudou para a WVU para fazer mais trabalhos em imagens médicas. Enquanto estava lá, ele expandiu as idéias do RatCAP e construiu um protótipo de imagem cerebral PET vestível para humanos.

"Uma ferramenta de imagem móvel do cérebro tem aplicações em pesquisas de psicologia e usos clínicos, "Majewski disse." Você poderia fazer imagens de epilepsia à beira do leito, por exemplo, e observe o que acontece no cérebro durante uma convulsão. "

Protótipo "Helmet_PET" de Majewski, patenteado em 2011, usaram fotomultiplicadores de silício - um mais novo, fotodetector similarmente compacto, mas mais eficiente do que os fotodiodos de avalanche usados ​​em RatCAP.

"Stan viu o potencial do RatCAP e o levou mais longe, "disse Woody.

O desenho da patente do protótipo estava na mesa de Majewski na WVU quando Brefczynski-Lewis, um neurocientista, entrou. O desenho de um detector em forma de capacete em uma pessoa de pé chamou sua atenção.

"Eu sempre fui incomodado por esta zona intermediária do cérebro que você não poderia alcançar com outras tecnologias de imagem, "disse ela." Com a eletroencefalografia (EEG), você não pode alcançar as estruturas cerebrais profundas, mas com PET e ressonância magnética você não pode ter movimento. Achei que o dispositivo de Stan poderia preencher esse nicho. "

Depois de construir o primeiro protótipo na WVU, os dois cientistas começaram a usar Helmet_PET para obter imagens dos cérebros de pacientes voluntários. Depois que Majewski foi transferido para a Universidade da Virgínia, a equipe desenvolveu um modelo mais novo do dispositivo, agora conhecido como AMPET. A tampa de imagem atual é projetada para digitalizar uma pessoa em pé e é fixada em um suporte superior, permitindo algum movimento.

AMPET tem grande semelhança com um dos primeiros scanners PET construídos em Brookhaven, apelidado de "secador de cabelo".

"As ideias deram uma volta completa, "disse Schlyer." O que mudou é a tecnologia que torna esses dispositivos possíveis. "

A equipe AMPET espera começar a desenvolver um scanner de cérebro completo em breve - um que cubra toda a cabeça em vez de examinar uma seção horizontal de cinco centímetros, como o anel atual.

Microdose tem grande potencial

Porque AMPET fica tão perto do cérebro, ele pode "capturar" mais fótons provenientes dos radiotraçadores usados ​​no PET do que os scanners maiores. Isso significa que os pesquisadores podem administrar uma dose menor de material radioativo e ainda obter um bom instantâneo biológico. A captura de mais sinais também permite que o AMPET crie imagens de resolução mais alta do que o PET normal.

Mas mais importante, As varreduras PET permitem que os pesquisadores vejam mais o corpo do que outras ferramentas de imagem. Isso permite que o AMPET alcance estruturas neurais profundas enquanto os sujeitos da pesquisa estão em pé e em movimento.

"Muitas das coisas importantes que acontecem com emoção, memória, e o comportamento está bem no centro do cérebro:os gânglios da base, hipocampo, amígdala, "Brefczynski-Lewis disse.

Do ponto de vista de um psicólogo ou neurocientista, AMPET pode abrir portas para uma variedade de experimentos, desde explorar as reações do cérebro a diferentes ambientes aos mecanismos envolvidos em discutir ou estar apaixonado.

Brefczynski-Lewis descreveu maneiras de usar AMPET para estudar a atividade cerebral subjacente à emoção. “Atualmente estamos fazendo testes para validar o uso de ambientes de realidade virtual em experimentos futuros, "disse ela. Nesta" realidade virtual, "voluntários liam um roteiro elaborado para irritar o sujeito, por exemplo, enquanto seu cérebro é examinado.

Na esfera médica, o capacete de digitalização pode ajudar a explicar o que acontece durante os tratamentos com drogas, ou lançar luz sobre distúrbios do movimento.

"Há uma subpopulação de pacientes com Parkinson que têm grande dificuldade para andar, mas pode andar de bicicleta com facilidade e sem hesitação, "disse Schlyer, que também é professor adjunto no departamento de Radiologia do Weill Cornell Medical College, onde ele estuda Parkinson. "O que está acontecendo em seus cérebros que torna essas duas atividades tão diferentes? Com ​​esse dispositivo, poderíamos monitorar a ativação cerebral regional enquanto os pacientes caminhavam e andavam de bicicleta, e potencialmente responder a essa pergunta. "

Brefczynski-Lewis observou, "Imaginamos com sucesso o cérebro de alguém andando no mesmo lugar. Agora estamos prontos para construir uma versão pronta para laboratório. Tem sido uma jornada emocionante - descobrindo as necessidades de diferentes neurocientistas e desenvolvendo este dispositivo que esperamos um dia irá atender a essas necessidades , e ajudar em nossa busca para entender o cérebro. "

O projeto RatCAP em Brookhaven foi financiado pelo DOE Office of Science. RHIC é um DOE Office of Science User Facility para pesquisa de física nuclear.