Um microscópio recém-desenvolvido está fornecendo aos cientistas uma ferramenta bastante aprimorada para estudar como distúrbios neurológicos, como epilepsia e doença de Alzheimer, afetam a comunicação neuronal. O microscópio é otimizado para realizar estudos usando técnicas optogenéticas, uma tecnologia relativamente nova que usa luz para controlar e criar imagens de neurônios geneticamente modificados com proteínas sensíveis à luz.

"Nosso novo microscópio pode ser usado para explorar os efeitos de diferentes mutações genéticas na função neuronal, "disse Adam Cohen da Universidade de Harvard, EUA, e o líder da equipe de pesquisa que desenvolveu o microscópio. "Um dia, ele poderia ser usado para testar os efeitos de medicamentos candidatos em neurônios derivados de pessoas com distúrbios do sistema nervoso para tentar identificar medicamentos para tratar doenças que não têm tratamento adequado no momento."

O novo microscópio, chamado Firefly, pode criar imagens de uma área de 6 milímetros de diâmetro, mais de cem vezes maior que o campo de visão da maioria dos microscópios usados ​​para optogenética. Em vez de estudar a atividade elétrica de um neurônio, a grande área de imagem torna possível acionar os pulsos elétricos que os neurônios usam para se comunicar e, em seguida, observar esses pulsos viajando de célula a célula por meio de um grande circuito neural contendo centenas de células. No cérebro, cada neurônio normalmente se conecta a mil outros neurônios, portanto, visualizar a rede maior é importante para compreender como as doenças neurológicas afetam a comunicação neuronal.

No jornal The Optical Society (OSA) Biomedical Optics Express , Cohen e seus colegas relatam como montaram o novo microscópio por menos de US $ 100, 000 usando componentes que estão quase todos disponíveis no mercado. O microscópio não apenas imagina uma grande área, mas também coleta luz com extrema eficiência. Isso fornece a alta qualidade de imagem e a velocidade necessária para observar os pulsos elétricos neuronais que duram apenas um milésimo de segundo.

Usando luz para ver os neurônios dispararem

O novo microscópio é ideal para estudar neurônios humanos cultivados em laboratório. Na década passada, os cientistas desenvolveram modelos de células humanas para muitos distúrbios do sistema nervoso. Essas células podem ser geneticamente modificadas para conter proteínas sensíveis à luz que permitem aos cientistas usar a luz para fazer os neurônios dispararem ou para controlar variáveis ​​como os níveis de neurotransmissores ou agregação de proteínas. Outras proteínas fluorescentes sensíveis à luz transformam os pulsos elétricos invisíveis vindos dos neurônios em breves flashes de fluorescência que podem ser visualizados e medidos.

Essas técnicas possibilitaram aos cientistas estudar a entrada e a saída de neurônios individuais, mas os microscópios comercialmente disponíveis não são otimizados para utilizar totalmente o potencial das abordagens optogenéticas. Para preencher essa lacuna tecnológica, os pesquisadores projetaram o microscópio Firefly para estimular neurônios com um padrão complexo contendo um milhão de pontos de luz e, em seguida, registrar os breves flashes de fluorescência de luz que correspondem a pulsos elétricos disparados pelos neurônios.

Cada pixel do padrão de luz pode estimular de forma independente uma proteína sensível à luz. Como os pixels podem ter muitas cores distintas, diferentes tipos de proteínas sensíveis à luz podem ser acionados de uma só vez. O padrão de luz pode ser programado para cobrir um neurônio inteiro, estimular certas áreas de um neurônio ou ser usado para iluminar várias células ao mesmo tempo.

"Este sistema óptico fornece um milhão de entradas e um milhão de saídas, permitindo-nos ver tudo o que está acontecendo nessas culturas neurais, "explicou Cohen.

Depois de estimular os neurônios, o microscópio usa uma câmera de imagem a mil quadros por segundo para capturar a fluorescência induzida pelos pulsos elétricos extremamente curtos. "O sistema óptico deve ser altamente eficiente para detectar bons sinais em um milissegundo, "disse Cohen." Uma grande quantidade de engenharia foi empregada no desenvolvimento de ótica que pode não apenas capturar imagens de uma grande área, mas fazê-lo com uma eficiência de coleta de luz muito alta. "

Para coletar luz de maneira eficiente em uma grande área, o microscópio Firefly usa uma lente objetiva do tamanho de uma lata de refrigerante, em vez da lente objetiva do tamanho de um polegar usada pela maioria dos microscópios. Os pesquisadores também usaram uma configuração óptica que aumenta a quantidade de luz que estimula os neurônios para ajudar a garantir que os neurônios emitam fluorescência brilhante ao disparar.

"O único elemento personalizado no microscópio é um pequeno prisma colocado entre os neurônios e as lentes objetivas, "explicou Cohen." Este importante componente faz com que a luz viaje ao longo do mesmo plano das células, em vez de entrar na amostra perpendicularmente. Isso impede que a luz ilumine o material acima e abaixo das células, diminuir a fluorescência de fundo que tornaria difícil ver a fluorescência realmente vinda dos neurônios. "

Assistindo 85 neurônios de uma vez

Os pesquisadores demonstraram seu novo microscópio usando-o para estimular opticamente e registrar a fluorescência de neurônios humanos em cultura. "Os neurônios eram uma grande confusão emaranhada de espaguete, "disse Cohen." Nós mostramos que era possível resolver 85 neurônios individuais ao mesmo tempo em uma medição que durou cerca de 30 segundos. "

Após a estimulação inicial e imagem, os pesquisadores foram capazes de encontrar 79 dessas 85 células uma segunda vez. Esta capacidade é importante para estudos que exigem que cada célula seja fotografada antes e depois da exposição a uma droga, por exemplo.

Em uma segunda demonstração, os pesquisadores usaram o microscópio para mapear as ondas elétricas que se propagam através de células cardíacas cultivadas. Isso mostrou que o microscópio pode ser usado para estudar ritmos cardíacos anormais, que ocorrem quando os sinais elétricos que coordenam os batimentos cardíacos não funcionam corretamente.

"O sistema que desenvolvemos é projetado para observar uma amostra relativamente plana, como células em cultura, "disse Cohen." Estamos agora desenvolvendo um sistema para realizar abordagens optogenéticas em tecido intacto, o que nos permitiria observar como esses neurônios se comportam em seu contexto nativo. "

Os pesquisadores também criaram uma empresa de biotecnologia chamada Q-State Biosciences, que está usando uma versão aprimorada do microscópio para trabalhar com empresas farmacêuticas na descoberta de medicamentos.