Nossos sistemas sensoriais são altamente adaptáveis. Uma pessoa que não consegue enxergar depois de apagar uma luz durante a noite lentamente alcança um poder superior para ver até mesmo objetos pequenos. As mulheres muitas vezes atingem um olfato aguçado durante a gravidez. Como pode o mesmo sistema sensorial que estava com baixo desempenho também superar a expectativa baseada em seu desempenho anterior?



Como a natureza aperfeiçoou seus sistemas sensoriais ao longo de escalas de tempo evolutivas, uma equipe interdisciplinar de pesquisadores da Escola de Engenharia McKelvey da Universidade de Washington, em St. Louis, aproveitou essas capacidades para adaptar o sistema sob demanda para funcionar com desempenho máximo. Suas ferramentas para atingir esse objetivo:Gafanhotos e nanomateriais pequenos demais para serem vistos.

Srikanth Singamaneni e Barani Raman, ambos professores da Escola de Engenharia McKelvey, lideraram uma equipe que aproveitou o poder de nanoestruturas especialmente feitas que podem absorver luz e criar calor, conhecido como efeito fototérmico, e atuar como recipientes para armazenar e liberar produtos químicos em demanda. Eles usaram esses materiais nanoestruturados para aumentar a resposta neural no cérebro dos gafanhotos a odores específicos e para melhorar sua identificação. Os resultados da pesquisa foram publicados na Nature Nanotechnology 25 de janeiro de 2024.

Singamaneni, professor Lilyan &E. Lisle Hughes no Departamento de Engenharia Mecânica e Ciência dos Materiais, e Raman, professor de engenharia biomédica, colaboram há anos com Shantanu Chakrabartty, professor Clifford W. Murphy no Departamento de Preston M. Green de Engenharia Elétrica e de Sistemas, para aproveitar as capacidades superiores de detecção do sistema olfativo dos gafanhotos. Recentemente eles demonstraram a viabilidade do uso de um nariz eletrônico bio-híbrido para detecção de vapores explosivos.

"Deixamos a biologia fazer o trabalho mais difícil de converter informações sobre produtos químicos vaporosos em um sinal elétrico neural", disse Raman. "Esses sinais são detectados nas antenas dos insetos e transmitidos ao cérebro. Podemos colocar eletrodos no cérebro, medir a resposta neural dos gafanhotos aos odores e usá-los como impressões digitais para distinguir entre produtos químicos."

A ideia, embora sólida, tem um obstáculo potencial.

“Estamos limitados pelo número de eletrodos e onde podemos colocá-los”, disse Singamaneni. "Como obteremos apenas um sinal parcial, queremos amplificar esse sinal. É aqui que recorremos ao calor e à neuromodulação para melhorar o sinal que obtemos."

Na nova pesquisa, a equipe utilizou duas estratégias para aumentar a capacidade dos gafanhotos de detectar odores. Primeiro, a equipe criou uma nanopartícula de polidopamina biocompatível e biodegradável que converte luz em calor por meio de um processo denominado efeito fototérmico.

“O calor afeta a difusão”, disse Raman. “Imagine adicionar leite frio ao café quente. A ideia é usar o calor gerado pelas nanoestruturas para aquecer localmente, por exemplo, um nanoaquecedor, e potencializar a atividade neural.”

Em segundo lugar, estes materiais nanoestruturados podem ser fabricados para carregar produtos químicos para armazenamento. No entanto, eles precisam ser encapsulados por um material de cobertura. A equipe usou um material de mudança de fase chamado tetradecanol, que é sólido à temperatura ambiente e transita para líquido após aquecimento. Quando aquecidos, os mesmos nanoaquecedores irão liberar os produtos químicos armazenados neles, além de gerar calor.

Singamaneni e a equipe armazenaram octopamina, um neuromodulador envolvido em diversas funções, e a liberaram quando necessário. Normalmente, esses neuromoduladores são liberados de acordo com as necessidades do organismo. No entanto, usando os aquecedores nanoestruturados, eles foram liberados sob demanda para aprimorar os sinais neurais.

"Nosso estudo apresenta uma estratégia genérica para melhorar reversivelmente os sinais neurais no local do cérebro onde colocamos os eletrodos", disse Raman.

"A estratégia de neuromodulação nano-habilitada que desenvolvemos abre novas oportunidades para realizar abordagens personalizadas de detecção química de ciborgues", disse Prashant Gupta, estudante de pós-graduação no laboratório de Singamaneni e primeiro autor do artigo. "Essa abordagem mudaria uma abordagem passiva existente, onde a informação é simplesmente lida, em uma abordagem ativa, onde as capacidades dos circuitos neurais como base para o processamento de informações são totalmente utilizadas."

Mais informações: Prashant Gupta et al, Aumentando o desempenho do olfato dos insetos por meio da nanoneuromodulação, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-023-01592-z
Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza

Fornecido pela Universidade de Washington em St. 0"/>