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Usando estimulação de luz para modular ondas cerebrais




Pesquisadores desenvolveram um novo sistema que compreende um implante cerebral contendo LEDs e terapia genética para modular ondas cerebrais. A tecnologia mostrou sucesso na supressão de ondas cerebrais anormais semelhantes às vistas durante uma convulsão epiléptica.

Pesquisadores desenvolveram um sistema que usa estimulação de luz para modular ondas cerebrais. Isso abre novos caminhos para explorar possíveis tratamentos de condições como epilepsia, Parkinson e enxaqueca.

A equipe projetou um pequeno implante contendo LEDs, que foi colocado dentro do cérebro para entregar luz diretamente nele. Enquanto isso, as células dentro do cérebro foram alteradas, usando uma terapia genética, para torná-las sensíveis à luz.

No artigo, publicado hoje na Nature Biomedical Engineering, a equipe do CANDO (Controling Abnormal Network Dynamics with Optogenetics) demonstra que sua tecnologia suprimiu com sucesso ondas cerebrais anormais que se assemelhavam a convulsões epilépticas.

Esta técnica de neuroestimulação óptica de loop fechado pode ser aplicável ao tratamento de distúrbios neurológicos e também tem implicações para alterar estados de atenção e sonolência.

A prova de pesquisa de princípios foi testada em modelo de computador, em fatias de cérebro de rato e em dois primatas anestesiados.

Combatendo ondas cerebrais interrompidas

No cérebro, as células nervosas geram atividade rítmica ou "ondas cerebrais". Em muitas doenças neurológicas esses ritmos são interrompidos, produzindo padrões anormais de atividade. Por exemplo, na epilepsia, a atividade anormal pode muitas vezes ser localizada para um pequeno "foco", que depois se espalha causando uma convulsão.

Na pesquisa, algumas células cerebrais foram alteradas usando uma terapia genética para torná-las sensíveis à luz, conhecida como optogenética. O implante então monitorava continuamente as ondas cerebrais através de eletrodos e forneceu estimulação precisamente cronometrada ativando os LEDs.

Como a luz não interfere em gravações elétricas sensíveis, a equipe de pesquisa foi capaz de desenvolver um controle "de loop fechado" da atividade cerebral onde os padrões de atividade eram continuamente monitorados controlando a entrega da luz precisamente cronometrada para o cérebro em um loop de feedback contínuo.

O professor Andy Jackson, do Instituto de Biociências da Universidade de Newcastle, que liderou a pesquisa, explica: "Um pouco como empurrar um balanço em diferentes pontos de seu arco, o sistema de loop fechado nos permitiu impulsionar ou suprimir ondas cerebrais."

Através deste método, a equipe foi capaz de modular a intensidade de um padrão anormal de ondas cerebrais, ou seja, reduzir a gravidade de uma convulsão.

O professor Jackson disse: "Conseguimos demonstrar que uma modulação eficaz da atividade cerebral local em um primata não humano poderia ser obtida usando LEDs implantados.

"Este é um desenvolvimento importante, pois o uso de um pequeno implante para modular a atividade anormal no cérebro abre um possível tratamento alternativo.

"Embora nosso projeto esteja focando na epilepsia, esse desenvolvimento fornece um método para impulsionar ou suprimir ondas cerebrais em frequências específicas que podem ser úteis na compreensão e tratamento de outros transtornos como Alzheimer e Doença de Parkinson."

Optogenética

Optogenética é um tipo de terapia genética que envolve proteínas sensíveis à luz de ocorrência natural chamadas opsinas. Essas proteínas, que podem ser encontradas em todos os tipos de vida, mudam de forma quando iluminadas com luz. Na verdade, são as opsinas em nossos olhos que nos permitem ver.

Existem muitos tipos de opsinas e alguns canais de forma ou bombas entre o interior e o exterior das células. Iluminar essas opsinas faz com que átomos carregados, ou íons, se movam para dentro e para fora das células.

O fluxo de íons carregados gera correntes elétricas, que desempenham um papel fundamental na forma como as células cerebrais se comunicam entre si. As opsinas podem ser usadas para ligar ou desligar a comunicação e, assim, influenciar padrões de atividade cerebral.

Embora as opsinas em nossos olhos nos permitam ver, elas não ocorrem naturalmente dentro do cérebro. Para usar opsinas para tratar epilepsia, precisamos de uma maneira de apresentá-las com segurança em células específicas do cérebro. Isso agora é possível com a tecnologia de terapia genética.

Terapia genética

Já em 1966, os cientistas reconheceram que os vírus possuíam propriedades que poderiam ser úteis para fornecer genes nas células. Um vírus é um pequeno agente infeccioso que requer outra célula viva para se replicar. Vírus entram nas células e instruem as próprias máquinas da célula a fazer novas cópias de si mesmo, fazendo com que a infecção se espalhe.

Em contraste, o vetor viral modificado em uma terapia genética faz cópias de proteínas úteis como opsinas. Ele faz isso introduzindo um novo pedaço de código genético na célula, que contém as instruções para fazer a opsina.

É importante ressaltar que este código não contém instruções para fazer mais vírus e, portanto, o vetor viral não é infeccioso e não pode se espalhar. Além disso, o material genético inserido apenas nas células cerebrais não é passado para nenhuma criança futura.

As terapias genéticas optogenéticas já estão sendo testadas em humanos, entregues aos olhos como um tratamento potencial para a cegueira. Mas antes que qualquer terapia optogenética seja testada no cérebro humano, é essencial provar que as proteínas de vetor viral e opsina não são prejudiciais e a equipe do CANDO continua a olhar para a segurança a longo prazo em suas pesquisas atuais em roedores.


Source: Newcastle University

Contact: Press Office – Newcastle University

Original Research: Closed access.

“Closed-loop optogenetic control of the dynamics of neural activity in non-human primates” by B. Zaaimi et al. Nature Biomedical Engineering


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