Um estudo recente realizado por cientistas europeus mostra que sensores altamente sensíveis baseados em centros de cor num diamante podem ser usados ​​para registar a actividade eléctrica de neurónios em tecido cerebral vivo. O trabalho está publicado na revista Scientific Reports .



Antes que as pessoas encontrem sintomas de doenças cerebrais, como a demência, geralmente já ocorreram pequenas alterações no tecido cerebral. Pode ser que partes do cérebro estejam inchando ou que estejam se formando aglomerados de proteínas. Estas pequenas mudanças podem influenciar a forma como as células nervosas do cérebro sinalizam umas às outras e comunicam, como a informação é processada e memorizada.

Os cientistas médicos querem estudar essas pequenas alterações que ocorrem nos estágios iniciais de uma doença. Dessa forma, a intenção é conhecer mais sobre as causas da doença para fornecer novos insights e tratamentos mais eficientes. Hoje, os estudos microscópicos do cérebro são realizados com uma de duas estratégias:inspeção óptica de amostras de tecido cerebral de animais ou pacientes falecidos que sofrem da doença estudada ou medições dos sinais das células nervosas por meio de fios, coloração ou luz.

Estes métodos, no entanto, têm algumas limitações:podem danificar o tecido ou alterar os sinais. Além disso, eles podem funcionar de maneira diferente dependendo do tecido que você está estudando; os sinais de algumas partes das células nervosas envolvidas em uma doença específica podem ser difíceis de medir.

Medindo o campo, não a amostra

Cientistas da DTU, da Universidade de Copenhague, do Hospital Universitário de Copenhague, da Université Sorbonne e da Universidade de Leipzig descobriram uma maneira de medir os sinais do tecido cerebral sem tocar ou inserir sondas de agulha nele. Eles fazem isso medindo campos magnéticos fracos produzidos pelas células nervosas durante a comunicação. Ao fazer isso, eles aproveitaram o fato de que o campo magnético viaja inalterado pelo tecido.

"No geral, a ideia é que a detecção do campo magnético, em última análise, não seja invasiva. Você não precisa inserir eletrodos ou sondas ou manchar o tecido que deseja analisar. Como se capta o campo magnético induzido, obtém-se informações sobre a atividade sem inserir um sensor físico no sistema ou modificá-lo de outra forma", diz Alexander Huck, professor associado da DTU Physics que supervisionou o projeto e é coautor do estudo.

Não é nada fundamentalmente novo medir campos magnéticos induzidos no corpo humano, mas geralmente requer equipamento especial que é volumoso e necessita de resfriamento criogênico. Como tal, os métodos tradicionais não são adequados para medir pequenas amostras de tecidos vivos, muito menos tecidos do cérebro humano.

Neste projeto, a equipe de cientistas está aproveitando pequenas falhas deliberadas em cristais de diamante sintético. Essas falhas são chamadas de centros de cores ou, tecnicamente, centros de vacância de nitrogênio/centros NV. O termo centros NV deriva do fato de que no diamante, um átomo de carbono é substituído por um átomo de nitrogênio e fica próximo a uma vaga, ou seja, onde nenhum átomo está presente. Isso faz com que os centros permitam a absorção de luz e – ao liberar energia – a emissão de luz.

"Esses centros de cores NV também têm um elétron desemparelhado efetivo com spin e, se houver um campo magnético, o spin do elétron oscila em torno desse campo. Portanto, se o campo magnético aumentar ou diminuir, ele oscilará um pouco mais rápido ou um pouco mais lento, e podemos medir essas mudanças através da emissão de luz dos centros de cores NV", explica Huck.

Ainda em fase inicial

A configuração experimental é a seguinte:em uma câmara em escala centimétrica, uma fatia de tecido cerebral é colocada sobre camadas isolantes de papel alumínio. O diamante é inserido em um orifício no fundo da câmara, abaixo das camadas isolantes. Um laser verde e uma antena de micro-ondas são então apontados para o centro colorido do diamante e a emissão de luz do diamante é registrada. Quando os cientistas estimulam os neurônios do tecido a disparar simultaneamente, eles podem medir as mudanças no brilho da emissão de luz dos centros de cores.

Crucialmente, a luz do laser e as microondas nunca atingem o tecido cerebral – não um cérebro humano real, neste caso, mas o tecido do cérebro de um rato – as mudanças no campo magnético são simplesmente rastreadas usando os centros de cores NV.

“Quando as amostras de neurônios no tecido cerebral disparam, isso induz um campo magnético que altera a emissão de luz e o brilho do diamante, que registramos como um sinal óptico”, diz Huck.

Nas suas experiências, os cientistas conseguem distinguir sinais de diferentes tipos de células nervosas. Eles verificaram suas medições usando uma técnica comprovada que tocava o tecido e media diretamente a eletricidade. Eles também mostram como podem alterar artificialmente a atividade dos neurônios no tecido usando uma droga que bloqueia canais específicos nas células nervosas.

“Eventualmente, a ideia é que quando você tem um paciente com suspeita de algum tipo de doença neurodegenerativa, você pode usar métodos derivados de nossos experimentos para diagnosticar a condição precisa”, conclui Huck. Ele ressalta, porém, que ainda é necessário muito trabalho para que isso aconteça:

"Se compararmos a nossa técnica com outros métodos em uso hoje, que já existem há décadas, eles ainda são melhores do que podemos fazer agora. Estamos em um estágio inicial e muito mais trabalho precisa ser feito antes que esta técnica possa ser implementada. ser transferidos e aplicados em um ambiente clínico A pesquisa em centros de NV e a exploração de suas áreas de aplicação mais adequadas ainda estão em um estágio inicial – este é um campo incipiente."

Mais informações: Nikolaj Winther Hansen et al, Gravação magnética em escala microscópica da atividade elétrica neuronal cerebral usando um sensor quântico de diamante, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-39539-y
Informações do diário: Relatórios Científicos

Fornecido pela DTU (Universidade Técnica da Dinamarca)