Os neurocientistas do MIT desenvolveram um novo sensor de ressonância magnética (MRI) que permite monitorar a atividade neural nas profundezas do cérebro, rastreando os íons de cálcio.

Como os íons de cálcio estão diretamente ligados ao disparo neuronal - ao contrário das mudanças no fluxo sanguíneo detectadas por outros tipos de ressonância magnética, que fornecem um sinal indireto - este novo tipo de detecção poderia permitir aos pesquisadores vincular funções cerebrais específicas ao seu padrão de atividade neuronal, e determinar como regiões distantes do cérebro se comunicam entre si durante tarefas específicas.

"As concentrações de íons de cálcio estão intimamente relacionadas com eventos de sinalização no sistema nervoso, "diz Alan Jasanoff, um professor de engenharia biológica do MIT, cérebro e ciências cognitivas, e ciência e engenharia nuclear, um membro associado do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT, e o autor sênior do estudo. "Projetamos uma sonda com uma arquitetura molecular que pode detectar mudanças relativamente sutis no cálcio extracelular que estão correlacionadas com a atividade neural."

Em testes em ratos, os pesquisadores mostraram que seu sensor de cálcio pode detectar com precisão as mudanças na atividade neural induzida por estimulação química ou elétrica, nas profundezas de uma parte do cérebro chamada striatum.

Os pesquisadores associados do MIT, Satoshi Okada e Benjamin Bartelle, são os principais autores do estudo, que aparece na edição de 30 de abril de Nature Nanotechnology . Outros autores incluem o professor de cérebro e ciências cognitivas Mriganka Sur, Pesquisador Associado Nan Li, pós-doutorado Vincent Breton-Provencher, ex-pós-doutoranda Elisenda Rodriguez, Jiyoung Lee, estudante de graduação da Wellesley College, e o estudante do ensino médio James Melican.

Rastreamento de cálcio

Um esteio da pesquisa em neurociência, A ressonância magnética permite que os cientistas identifiquem partes do cérebro que estão ativas durante tarefas específicas. O tipo mais comumente usado, conhecido como ressonância magnética funcional, mede o fluxo sanguíneo no cérebro como um marcador indireto da atividade neural. Jasanoff e seus colegas queriam conceber uma maneira de mapear padrões de atividade neural com especificidade e resolução que as técnicas de ressonância magnética baseadas no fluxo sanguíneo não conseguem alcançar.

"Métodos que são capazes de mapear a atividade cerebral em tecidos profundos dependem de mudanças no fluxo sanguíneo, e aqueles são acoplados à atividade neural por meio de muitas vias fisiológicas diferentes, "Jasanoff diz." Como resultado, o sinal que você vê no final costuma ser difícil de atribuir a qualquer causa subjacente específica. "

Fluxo de íons de cálcio, por outro lado, pode estar diretamente relacionado com a atividade neuronal. Quando um neurônio dispara um impulso elétrico, íons de cálcio entram na célula. Por cerca de uma década, neurocientistas têm usado moléculas fluorescentes para marcar o cálcio no cérebro e fazer imagens com microscopia tradicional. Essa técnica permite que eles rastreiem com precisão a atividade dos neurônios, mas seu uso é limitado a pequenas áreas do cérebro.

A equipe do MIT decidiu encontrar uma maneira de obter imagens de cálcio usando ressonância magnética, o que permite que volumes de tecido muito maiores sejam analisados. Fazer isso, eles projetaram um novo sensor que pode detectar mudanças sutis nas concentrações de cálcio fora das células e responder de uma forma que pode ser detectada com ressonância magnética.

O novo sensor consiste em dois tipos de partículas que se agrupam na presença de cálcio. Um é uma proteína de ligação ao cálcio de ocorrência natural chamada sinaptotagmina, e o outro é uma nanopartícula de óxido de ferro magnético revestido em um lipídio que também pode se ligar à sinaptotagmina, mas apenas quando o cálcio está presente.

A ligação do cálcio induz essas partículas a se agruparem, fazendo-os parecer mais escuros em uma imagem de ressonância magnética. Altos níveis de cálcio fora dos neurônios se correlacionam com baixa atividade neuronal; quando as concentrações de cálcio caem, isso significa que os neurônios dessa área estão disparando impulsos elétricos.

Detectando atividade cerebral

Para testar os sensores, os pesquisadores os injetaram no estriado de ratos, uma região que está envolvida no planejamento do movimento e no aprendizado de novos comportamentos. Eles então deram aos ratos um estímulo químico que induziu curtos períodos de atividade neural, e descobri que o sensor de cálcio refletia essa atividade.

Eles também descobriram que o sensor detectou atividade induzida por estimulação elétrica em uma parte do cérebro envolvida na recompensa.

A versão atual do sensor responde dentro de alguns segundos após a estimulação cerebral inicial, mas os pesquisadores estão trabalhando para acelerar isso. Eles também estão tentando modificar o sensor para que ele possa se espalhar por uma região maior do cérebro e passar pela barreira hematoencefálica, o que tornaria possível entregar as partículas sem injetá-las diretamente no local de teste.

Com este tipo de sensor, Jasanoff espera mapear padrões de atividade neural com maior precisão do que agora é possível. "Você pode imaginar medir a atividade do cálcio em diferentes partes do cérebro e tentar determinar, por exemplo, como diferentes tipos de estímulos sensoriais são codificados de maneiras diferentes pelo padrão espacial de atividade neural que eles induzem, " ele diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.