Os neurônios são células cerebrais que se comunicam entre si enviando sinais eletroquímicos ao longo dos axônios. Quando um neurônio está prestes a liberar um sinal na forma de uma carga elétrica, ele permite que os íons passem através de sua membrana através dos canais iônicos. Esta transferência de íons cria uma diferença de potencial elétrico entre o interior e o exterior da célula, e essa diferença é chamada de potencial de membrana.

Uma equipe de pesquisadores do Laboratório de BioFotônica Fundamental (LBP) da Escola de Engenharia (STI) da EPFL descobriu uma maneira de monitorar as mudanças no potencial da membrana e observar os fluxos de íons estudando o comportamento das moléculas de água que cercam as membranas de os neurônios. Os pesquisadores, que testou com sucesso seu método em neurônios de camundongos in vitro, acabam de publicar suas descobertas em Nature Communications .

Chega de eletrodos ou fluoróforos

Uma melhor compreensão da atividade elétrica dos neurônios poderia fornecer informações sobre uma série de processos que ocorrem em nossos cérebros. Por exemplo, os cientistas podem ver se um neurônio está ativo ou em repouso, ou se está respondendo ao tratamento medicamentoso. Até agora, a única maneira de monitorar os neurônios era injetando fluoróforos em, ou anexando eletrodos em, a parte do cérebro que está sendo estudada, mas os fluoróforos podem ser tóxicos, e eletrodos podem danificar os neurônios.

Recentemente, os pesquisadores do LBP desenvolveram uma maneira de rastrear a atividade elétrica nos neurônios simplesmente observando as interações entre as moléculas de água e as membranas neurais. "Os neurônios são rodeados por moléculas de água, que mudam a orientação na presença de uma carga elétrica, "diz Sylvie Roke, diretor do LBP. "Quando o potencial da membrana muda, as moléculas de água irão se reorientar - e podemos observar isso. "

Em seu estudo, os pesquisadores alteraram o potencial da membrana neuronal, submetendo os neurônios a um rápido influxo de íons de potássio. Isso fez com que os canais iônicos na superfície dos neurônios - que servem para regular o potencial da membrana - se abrissem e deixassem os íons passarem. Os pesquisadores então desligaram o fluxo de íons, e os neurônios liberaram os íons que haviam captado.

Para monitorar esta atividade, os pesquisadores sondaram as membranas lipídicas neuronais hidratadas, iluminando as células com dois feixes de laser da mesma frequência. Esses feixes consistem em pulsos de laser de femtossegundos - usando a tecnologia pela qual o prêmio Nobel de física de 2018 foi concedido - de forma que as moléculas de água na interface da membrana geram fótons com uma frequência diferente, conhecido como luz de segundo harmônico.

"Vemos as implicações fundamentais e aplicadas de nossa pesquisa. Isso não só pode nos ajudar a entender os mecanismos que o cérebro usa para enviar informações, mas também pode atrair empresas farmacêuticas interessadas em testes de produtos in vitro, "acrescenta Roke." E agora mostramos que podemos analisar um único neurônio ou qualquer número de neurônios de uma vez. "