Há cerca de uma década, os investigadores começaram a explorar uma ideia ousada: usar luz bioluminescente para ver o que o cérebro está a fazer em tempo real. Em vez de iluminar o tecido cerebral de fora, eles se perguntaram se os neurônios poderiam brilhar por conta própria.
“Começamos a pensar: ‘E se pudéssemos iluminar o cérebro por dentro?'”, Disse Christopher Moore, professor de ciências do cérebro na Universidade Brown. “A iluminação do cérebro é usada para medir a atividade – geralmente através de um processo chamado fluorescência – ou para estimular a atividade nas células para testar o papel que elas desempenham. Mas disparar lasers no cérebro tem desvantagens quando se trata de experimentos, muitas vezes exigindo equipamentos sofisticados e uma menor taxa de sucesso. Pensámos que poderíamos usar a bioluminescência em vez disso.”
Construção de um centro bioluminescente
Essa ideia ajudou a lançar o Centro de Bioluminescência no Carney Brain Science Institute da Brown University em 2017. Apoiado por uma grande doação da National Science Foundation, o centro reuniu colaboradores incluindo Moore (Diretor Adjunto do Carney Institute), Diane Lipscomb (Diretora do Instituto), Ute Hochgeschwender (na Central Michigan University) e Nathan Shaner (na Universidade da Califórnia, San Diego).
A equipe decidiu criar e compartilhar novas ferramentas de neurociência, permitindo que as células do sistema nervoso produzissem e respondessem à luz.
Uma nova ferramenta para observar o brilho dos neurônios
Num estudo publicado em Métodos da naturezaos pesquisadores descreveram uma nova ferramenta de imagem de bioluminescência que desenvolveram. Conhecido como Monitor de Atividade de BioLuminescência Ca2+ – ou “CaBLAM”, abreviadamente – o instrumento pode capturar atividade em células individuais e até mesmo em regiões celulares menores em alta velocidade. Funciona de forma eficiente em ratos e peixes-zebra, suporta gravações que duram horas e não requer fonte de luz externa.
Shaner, professor associado de neurociência e farmacologia na UC San Diego, liderou o esforço para desenvolver o dispositivo molecular subjacente ao CaBLAM, disse Moore. “CaBLAM é uma molécula realmente incrível que Nathan criou”, disse Moore. – Justifica o seu nome.
Por que medir a atividade cerebral é importante
Rastrear a atividade das células cerebrais vivas é fundamental para compreender como funcionam os organismos, explicou Moore. Hoje, a maneira mais comum de fazer isso é baseada na fluorescência de indicadores de íons de cálcio geneticamente codificados.
“A forma como a fluorescência funciona é apontar um feixe de luz para algo e obter um comprimento de onda de luz diferente”, disse Moore, que dirige o Centro de Bioluminescência. “Você pode tornar esse processo sensível ao cálcio, para obter proteínas que retornarão em uma quantidade diferente ou em uma cor de luz diferente, dependendo da presença de cálcio, com um sinal brilhante”.
Embora as técnicas de fluorescência sejam amplamente utilizadas, Moore disse que elas apresentam sérias desvantagens. A exposição prolongada à luz externa intensa pode danificar as células cerebrais. Com o tempo, essa iluminação também pode alterar as próprias moléculas fluorescentes, fazendo com que elas não emitam mais luz suficiente, um problema conhecido como fotodegradação, que limita a duração dos experimentos. Além disso, equipamentos como lasers e fibras ópticas são necessários para levar luz ao cérebro, tornando os experimentos mais invasivos.
Por que a bioluminescência oferece vantagens claras
A imagem de bioluminescência funciona de maneira diferente. A luz é produzida quando uma enzima quebra uma pequena molécula específica, o que significa que nenhuma luz externa brilhante é necessária. Como resultado, não há fotobranqueamento nem danos fototóxicos, tornando a abordagem mais segura para o delicado tecido cerebral.
Também produz imagens mais limpas.
“O tecido cerebral já brilha levemente quando exposto à luz externa, criando ruído de fundo”, disse Scheiner. “Além disso, o tecido cerebral dispersa a luz, desfocando tanto a luz que entra quanto o sinal que sai. Isso torna as imagens mais opacas, desfocadas e mais difíceis de ver nas profundezas do cérebro. O cérebro não cria bioluminescência, então, quando os neurônios projetados brilham por conta própria, eles se destacam contra o fundo escuro quase discretamente. E com a bioluminescência, as células cerebrais agem como seus próprios faróis: você só precisa observar a luz que entra. o que é muito mais fácil de ver, mesmo que esteja espalhado nos tecidos.”
Moore observou que os cientistas discutiram o uso da bioluminescência para estudar a atividade cerebral durante décadas, mas até agora ninguém tinha sido capaz de tornar a luz brilhante o suficiente para obter imagens detalhadas.
As ideias que tornaram o CaBLAM possível
“O artigo atual é interessante por vários motivos”, disse Moore. “Essas novas moléculas tornaram possível, pela primeira vez, ver células individuais ativadas independentemente umas das outras, quase como se você estivesse usando uma câmera de cinema especial e sensível para registrar a atividade cerebral enquanto ela acontece”.
Usando o CaBLAM, os pesquisadores podem observar como um neurônio individual se comporta dentro de um animal vivo, incluindo atividades em diferentes partes da célula. No estudo, a equipe relatou uma sessão contínua de gravação de cinco horas, o que não seria possível com métodos tradicionais baseados em fluorescência.
“Para estudar comportamentos complexos ou aprendizagem, a bioluminescência permite que todo o processo seja capturado com menos equipamento envolvido”, disse Moore.
Além de imagens cerebrais
O projeto CaBLAM faz parte de um esforço mais amplo do centro para inventar novas formas de observar e controlar a atividade cerebral. Um experimento envolve uma célula viva enviando um flash de luz que pode ser detectado por uma célula vizinha, permitindo que os neurônios se comuniquem usando a própria luz (o que Moore chama de “religar o cérebro com luz”). A equipe também está desenvolvendo métodos que utilizam cálcio para regular a atividade celular.
À medida que esses projetos avançavam, os pesquisadores perceberam que todos dependiam de sensores de cálcio mais brilhantes e eficientes. Essa necessidade tornou-se central para o trabalho do centro, disse Moore.
“Temos certeza de que, como centro que está tentando levar o campo adiante, criamos os componentes necessários”, disse Moore.
Uma ferramenta com maior potencial
Moore acredita que o CaBLAM pode eventualmente ter aplicações fora da neurociência para estudar atividades em outras partes do corpo.
“Este avanço abre uma série de novas opções para observar como o cérebro e o corpo funcionam”, disse Moore, “incluindo o rastreamento da atividade de múltiplas partes do corpo simultaneamente”.
Ele acrescentou que a conquista ressalta o poder da pesquisa colaborativa. Pelo menos 34 cientistas contribuíram para o projeto, representando parceiros do Centro de Bioluminescência, como Brown University, Central Michigan University, UC San Diego, UCLA e New York University. O trabalho foi apoiado por financiamento dos Institutos Nacionais de Saúde, da National Science Foundation e da Paul G. Allen Family Foundation.
