Os cientistas desenvolveram uma proteína que pode registar as mensagens químicas que as células cerebrais recebem, em vez de se concentrarem apenas nos sinais que enviam. Esses sinais de entrada são criados quando os neurônios liberam glutamato, um neurotransmissor que desempenha um papel importante na comunicação cerebral. Embora o glutamato seja essencial para processos como aprendizagem e memória, a sua atividade é extremamente difícil de medir porque os sinais são fracos e ocorrem muito rapidamente.
Esta nova ferramenta permite detectar estas mensagens químicas subtis à medida que chegam, dando aos investigadores acesso a uma parte da comunicação cerebral que há muito está oculta.
Por que esta revelação é importante
Ser capaz de observar os sinais recebidos permite aos cientistas estudar como os neurônios processam as informações. Cada célula cerebral recebe milhares de sinais de entrada e a forma como integra esses sinais determina se produzirá uma saída. Acredita-se que esse processo esteja subjacente a decisões, pensamentos e memórias, e estudá-lo diretamente pode ajudar a explicar como o cérebro realiza cálculos complexos.
O avanço também abre novos caminhos para a pesquisa de doenças. Problemas com a sinalização do glutamato têm sido associados a doenças como doença de Alzheimer, esquizofrenia, autismo, epilepsia e outras. Ao medir estes sinais com mais precisão, os investigadores serão capazes de descobrir as raízes biológicas destas doenças.
O desenvolvimento de medicamentos também pode ser beneficiado. As empresas farmacêuticas podem utilizar estes sensores para ver como os tratamentos experimentais afectam a actividade sináptica do mundo real, o que poderia ajudar a acelerar a procura de tratamentos mais eficazes.
Apresentando o poderoso sensor de glutamato
A proteína foi desenvolvida por pesquisadores do Allen Institute e do Janelia Research Campus do HHMI. Conhecido como iGluSnFR4 (pronuncia-se ‘farejador de cola’), ele atua como um ‘indicador de glutamato’ molecular. Sua sensibilidade permite detectar até mesmo os sinais de entrada mais fracos trocados entre neurônios.
Ao revelar quando e onde o glutamato é liberado, o iGluSnFR4 fornece uma nova maneira de interpretar os padrões complexos de atividade cerebral que apoiam a aprendizagem, a memória e a emoção. Isso permite que os cientistas observem as interações dos neurônios no cérebro em tempo real. As descobertas foram publicadas recentemente na Nature Methods e podem mudar significativamente a forma como a atividade neural é medida e analisada na pesquisa em neurociência.
Como as células cerebrais se comunicam
Para compreender o impacto deste progresso, é útil observar como os neurônios interagem. O cérebro contém bilhões de neurônios que se comunicam enviando sinais elétricos ao longo de estruturas semelhantes a ramos chamadas axônios. Quando um sinal elétrico atinge o final de um axônio, ele não consegue cruzar uma pequena lacuna até o próximo neurônio, o que é conhecido como sinapse.
Em vez disso, o sinal faz com que os neurotransmissores sejam liberados na sinapse. O glutamato é o mais comum desses mensageiros químicos e desempenha um papel fundamental na memória, aprendizagem e emoção. Quando o glutamato atinge o próximo neurônio, ele pode fazer com que a célula dispare, continuando a cadeia de comunicação.
De fragmentos a uma conversa completa
Este processo pode ser comparado à queda de dominós, mas é muito mais complexo. Cada neurônio recebe informações de milhares de outros, e apenas certas combinações e padrões de atividade fazem com que o neurônio receptor seja acionado. Com este novo sensor de proteínas, os cientistas podem agora determinar quais padrões de atividade recebida levam a tal resposta.
Até agora, era quase impossível observar estes sinais de entrada em tecido cerebral vivo. As tecnologias anteriores eram muito lentas ou não tinham a sensibilidade necessária para medir a atividade das sinapses individuais. Como resultado, os investigadores só puderam ver partes do processo de comunicação, e não a troca completa. Esta nova abordagem permite capturar toda a conversa.
Compreendendo as conexões neurais
“É como ler um livro com palavras confusas e não entender a ordem das palavras e como elas estão organizadas”, disse Kaspar Podgorski, Ph.D., principal autor do estudo e pesquisador sênior do Allen Institute. “Acho que estamos fazendo conexões entre esses neurônios e, por causa disso, agora entendemos a ordem das palavras nas páginas e o que elas significam”.
Antes do advento dos sensores de proteínas como o iGluSnFR4, os pesquisadores só podiam medir os sinais de saída dos neurônios. Isto deixou uma grande lacuna na compreensão, uma vez que os sinais recebidos eram demasiado rápidos e demasiado fracos para serem detectados.
“Os neurologistas têm maneiras muito boas de medir as conexões estruturais entre os neurônios, e em experimentos separados podemos medir o que alguns neurônios do cérebro estão dizendo, mas não conseguimos combinar esses dois tipos de informação. É difícil medir o que os neurônios estão dizendo a outros neurônios”, disse Podhorsky. “O que inventamos aqui é uma forma de medir a informação que chega aos neurônios de diferentes fontes, e essa é uma peça importante que falta na pesquisa em neurociência”.
Cooperação por trás do avanço
“O sucesso do iGluSnFR4 decorre de nossa estreita colaboração que começou no Janelia Research Campus do HHMI entre a equipe do Projeto GENIE e o laboratório de Caspar. Esta pesquisa se expandiu para um trabalho fenomenal de caracterização in vivo pelo Grupo de Dinâmica Neural do Allen Institute”, disse Jeremy Haseman, Ph.D., Cientista do Janelia Research Campus do HHMI. “Este foi um excelente exemplo de colaboração entre laboratórios e institutos para fazer novas descobertas em neurociências”.
Uma nova janela para a função cerebral
Esta descoberta supera grandes limitações da neurociência atual, tornando possível observar diretamente como os neurônios recebem informações. Graças ao iGluSnFR4, que agora está disponível para pesquisadores através da Addgene, os cientistas têm uma nova ferramenta poderosa para estudar a função cerebral com mais detalhes. À medida que se torna mais difundida, esta tecnologia poderá ajudar a desbloquear respostas a algumas das questões mais antigas do cérebro.
