Uma técnica pioneira desenvolvida pelo Prevedel Group no EMBL permite que os neurocientistas observem neurônios vivos nas profundezas do cérebro - ou qualquer outra célula escondida em um tecido opaco. A técnica é baseada em dois métodos de microscopia de última geração, microscopia de três fótons e óptica adaptativa. O relatório de papel sobre este avanço foi publicado em 30 de setembro de 2021 em Métodos da Natureza .

Até o desenvolvimento da nova técnica, foi um desafio para os neurocientistas observar astrócitos gerando ondas de cálcio em camadas profundas do córtex, ou para visualizar quaisquer outras células neurais no hipocampo, uma região nas profundezas do cérebro que é responsável pela memória espacial e navegação. O fenômeno ocorre regularmente no cérebro de todos os mamíferos vivos. Ao desenvolver a nova técnica, Lina Streich do Grupo Prevedel e seus colaboradores conseguiram capturar os detalhes dessas células versáteis em alta resolução sem precedentes. A equipe internacional incluiu pesquisadores da Alemanha, Áustria, Argentina, China, França, os Estados Unidos, Índia, e Jordan.

Nas neurociências, os tecidos cerebrais são observados principalmente em pequenos organismos modelo ou em amostras ex vivo que precisam ser cortadas para serem observadas - ambos representam condições não fisiológicas. A atividade normal das células cerebrais ocorre apenas em animais vivos, mas o "cérebro do camundongo é um tecido altamente espalhado, "disse Robert Prevedel." Nestes cérebros, a luz não pode ser focada facilmente, porque interage com os componentes celulares. Isso limita o quão profundo você pode gerar uma imagem nítida, e torna muito difícil concentrar-se em pequenas estruturas nas profundezas do cérebro com as técnicas tradicionais. "

Graças a Streich, um ex-aluno de doutorado no laboratório que trabalhou por mais de quatro anos para superar este problema, os cientistas agora podem examinar mais profundamente os tecidos.

"Com técnicas tradicionais de microscopia cerebral de fluorescência, dois fótons são absorvidos pela molécula de fluorescência a cada vez, e você pode ter certeza de que a excitação causada pela radiação está confinada a um pequeno volume, "explicou Prevedel, um físico por formação. "Mas quanto mais longe os fótons viajam, é mais provável que sejam perdidos devido ao espalhamento. "Uma maneira de superar isso é aumentar o comprimento de onda dos fótons excitantes em direção ao infravermelho, o que garante energia de radiação suficiente para ser absorvida pelo fluoróforo. Além disso, usar três fótons em vez de dois permite obter imagens mais nítidas nas profundezas do cérebro. Mas outro desafio permanece:certificar-se de que os fótons estão focados, para que a imagem inteira não fique desfocada.

É aqui que a segunda técnica usada por Streich e sua equipe é importante. A óptica adaptativa é usada regularmente na astronomia - e de fato foi crucial para Roger Penrose, Reinhard Genzel e Andrea Ghez para obter o Prêmio Nobel de Física em 2020 por sua descoberta de buracos negros. Os astrofísicos usam deformáveis, espelhos controlados por computador para corrigir em tempo real a distorção na frente da onda de luz causada pela turbulência atmosférica. No laboratório de Prevedel, a distorção é causada pelo tecido não homogêneo espalhado, mas o princípio e a tecnologia são muito semelhantes. "Também usamos um espelho deformável controlado ativamente, que é capaz de otimizar as frentes de onda para permitir que a luz convirja e se concentre até mesmo nas profundezas do cérebro, "explicou Prevedel." Desenvolvemos uma abordagem personalizada para torná-la rápida o suficiente para uso em células vivas no cérebro, "acrescentou Streich. Para reduzir a invasividade da técnica, a equipe também minimizou o número de medições necessárias para obter imagens de alta qualidade.

"Esta é a primeira vez que essas técnicas foram combinadas, "disse Streich, "e graças a eles, fomos capazes de mostrar as imagens in vivo mais profundas de neurônios vivos em alta resolução. "Os cientistas, que trabalhou em colaboração com colegas do EMBL Roma e da Universidade de Heidelberg, até visualizou os dendritos e axônios que conectam os neurônios no hipocampo, enquanto deixa o cérebro completamente intacto.

"Este é um salto para o desenvolvimento de técnicas não invasivas mais avançadas para estudar tecidos vivos, "Streich disse. Embora a técnica tenha sido desenvolvida para uso em um cérebro de rato, é facilmente aplicável a qualquer tecido opaco. "Além da vantagem óbvia de poder estudar tecidos biológicos sem a necessidade de sacrificar os animais ou remover o tecido sobreposto, esta nova técnica abre caminho para estudar um animal longitudinalmente, isso é, desde o início de uma doença até o fim. Isso dará aos cientistas um instrumento poderoso para entender melhor como as doenças se desenvolvem em tecidos e órgãos. "