Os cientistas têm muitas maneiras de observar os neurônios individuais em um incêndio cerebral, enviando sinais elétricos de um para o outro, mas todos eles compartilham um problema básico. Cada método, se envolve sondas elétricas, agentes químicos ou modificações genéticas, é de alguma forma mais invasivo do que os neurocientistas gostariam.

Isso pode mudar em breve. Como os pesquisadores de Stanford relatam 12 de dezembro em Luz:Ciência e Aplicações , eles desenvolveram uma maneira de observar as células cerebrais enviando sinais elétricos usando apenas luz, algumas lentes e outros elementos ópticos, e uma câmera de vídeo rápida.

A chave para a nova abordagem, disse Daniel Palanker, professor de oftalmologia e autor sênior do novo artigo, é que quando os neurônios disparam sinais elétricos, eles mudam sutilmente de forma. Essa mudança em escala nanométrica pode ser medida usando técnicas ópticas.

Até aqui, Palanker, Tong Ling, um pós-doutorado e o autor principal do novo artigo, e colegas mediram essas mudanças de forma minúscula em redes de células semelhantes a neurônios em uma placa de laboratório. Eles agora estão adaptando seus métodos para estudar neurônios no cérebro de animais vivos. Se der certo, pode levar a uma maneira mais natural de estudar pelo menos algumas partes do cérebro.

"É tudo natural, sem marcadores químicos, sem eletrodos, nada. São apenas células como são, "disse Palanker, que é membro do Stanford Bio-X e do Wu Tsai Neurosciences Institute.

A forma das coisas

Muita coisa acontece quando os neurônios disparam. É claro que existe o próprio sinal elétrico, que pode ser captado por eletrodos. Também há mudanças químicas, que pode ser detectado usando moléculas fluorescentes que se acendem quando um neurônio dispara.

E então há forma. Os pesquisadores perceberam pela primeira vez que os neurônios mudam de forma estudando os neurônios do lagostim há mais de 40 anos. Em 1977, uma equipe de pesquisadores de Stanford e UCSF lançou um laser em um neurônio de lagostim enquanto ele disparava e mostrou sua largura alterada por aproximadamente a espessura de uma fita de DNA humano.

No entanto, traduzir esses resultados em uma maneira de observar opticamente neurônios disparando em cérebros humanos ou de outros mamíferos enfrentou uma série de desafios. Por uma coisa, os neurônios do lagostim são 10 a 100 vezes mais grossos do que os neurônios dos mamíferos. Para outro, a técnica que o grupo original usou - uma forma simples do que é chamado de interferometria - só pode medir mudanças em um único ponto de cada vez, o que significa que pode ser usado para estudar apenas uma pequena área de uma célula por vez, em vez de imaginar toda a célula ou mesmo uma rede de neurônios se comunicando entre si no cérebro.

Brilhando uma nova luz sobre o disparo de neurônios

Para resolver alguns desses problemas, Ling, Palanker e colegas primeiro se voltaram para uma variação na interferometria padrão chamada microscopia de fase quantitativa, que permite aos pesquisadores mapear paisagens microscópicas inteiras - por exemplo, a paisagem de uma rede de células dispostas em uma placa de vidro. A técnica é simples o suficiente para ser feita lançando luz laser através dessas células, passando por algumas lentes, filtros e outros elementos e filtros ópticos, e gravar a saída com uma câmera. Essa imagem pode então ser processada para criar um mapa topográfico das células.

Ling, Palanker e a equipe raciocinaram que poderiam usar a técnica para medir o quanto os neurônios mudam de forma quando disparam. Para testar a ideia, eles desenvolveram uma rede de células semelhantes a neurônios em uma placa de vidro e usaram uma câmera de vídeo para registrar o que aconteceu quando as células - na verdade, células derivadas de rins modificadas para se comportar mais como neurônios - dispararam. Sincronizando o vídeo com gravações elétricas e calculando a média de vários milhares de exemplos, a equipe criou um modelo que descreve como as células se movem quando são disparadas:cerca de quatro milissegundos, a espessura da célula aumenta cerca de três nanômetros, uma mudança de aproximadamente um centésimo de 1 por cento. Uma vez que atinge a espessura máxima, a célula leva cerca de outro décimo de segundo para encolher de volta.

Observando as células cerebrais em funcionamento

Na fase inicial do experimento, a equipe precisava de eletrodos para descobrir quando as células dispararam. Na segunda fase, os membros da equipe mostraram que podiam usar seu modelo para pesquisar e identificar disparos de células sem depender de eletrodos.

Ainda, há uma série de etapas a serem executadas antes que a equipe possa fazer o método funcionar em cérebros reais. Primeiro, a equipe precisará fazer a técnica funcionar em neurônios reais, em oposição às células semelhantes a neurônios que eles examinaram até agora. "Os neurônios são mais exigentes, "Palanker disse, mas a equipe já começou a fazer experiências com eles.

Um segundo desafio é que os neurônios em cérebros reais não estão dispostos em uma única camada em uma placa de vidro, assim como as células que o laboratório de Palanker estudou. Em particular, a equipe não pode lançar lasers através do cérebro e esperar ver muito de qualquer coisa sair do outro lado, muito menos dados úteis. Felizmente, Palanker disse, as técnicas que eles usaram com luz transmitida funcionam de forma semelhante na luz refletida, e a maioria dos neurônios reflete luz suficiente para que a abordagem deva, em teoria, funcionar.

Há uma limitação que a equipe provavelmente não será capaz de contornar - uma vez que a luz não penetra profundamente no cérebro, o novo método só será capaz de sondar as camadas externas. Ainda, para projetos que precisam apenas estudar essas camadas, a técnica pode dar aos pesquisadores um limpador, maneira mais simples de estudar o cérebro.

"Usualmente, métodos invasivos afetam o que as células fazem, portanto, tornando as medições menos confiáveis, "Palanker disse." Aqui você não faz nada com as células. Basicamente, você apenas os observa se movendo. "