Os pesquisadores apresentam um novo sistema que usa fótons em vez de neurotransmissores químicos para controlar a atividade neural.
Fonte: ICFO
Nossos cérebros são feitos de bilhões de neurônios, que estão conectados formando redes complexas. Eles se comunicam entre si enviando sinais elétricos, conhecidos como potenciais de ação, e sinais químicos, conhecidos como neurotransmissores, em um processo chamado transmissão sináptica.
Os neurotransmissores químicos são liberados de um neurônio, difundidos para os outros e chegam às células-alvo, gerando um sinal que excita, inibe ou modula a atividade celular. O tempo e a força desses sinais são cruciais para o cérebro processar e interpretar informações sensoriais, tomar decisões e gerar comportamento.
Controlar as conexões entre os neurônios nos permitiria entender e tratar melhor distúrbios neurológicos, religar ou reparar o mau funcionamento dos circuitos neurais depois de serem danificados, melhorar nossas capacidades de aprendizado ou expandir nosso conjunto de comportamentos. Existem várias abordagens para controlar a atividade neuronal.
Um método possível é o uso de drogas, que alteram os níveis dos neurotransmissores químicos no cérebro e afetam a atividade dos neurônios. Outra abordagem é usar a estimulação elétrica aplicada a regiões específicas do cérebro para ativar ou inibir os neurônios. Uma terceira possibilidade é usar a luz para controlar a atividade neural.
Usando fótons para controlar a atividade neuronal
Usar a luz para manipular a atividade neuronal é uma técnica relativamente nova que foi explorada no passado. Envolve neurônios geneticamente modificados para expressar proteínas sensíveis à luz, canais iônicos, bombas ou enzimas específicas nas células-alvo. Esta técnica permite que os pesquisadores controlem com precisão a atividade de populações concretas de neurônios com maior precisão.
Há, no entanto, algumas limitações. Ele precisa ser entregue muito perto dos neurônios para alcançar resolução suficiente no nível da sinapse, à medida que a luz se espalha no tecido cerebral. Assim, muitas vezes é invasivo, necessitando de intervenções externas. Além disso, a intensidade necessária para atingir as células-alvo pode ser potencialmente prejudicial para elas.
Para superar esses desafios, uma equipe de pesquisadores do ICFO apresenta na Nature Methods um sistema que usa fótons em vez de neurotransmissores químicos como estratégia para controlar a atividade neuronal.
Os pesquisadores do ICFO Montserrat Porta, Adriana Carolina González, Neus Sanfeliu-Cerdán, Shadi Karimi, Nawaphat Malaiwong, Aleksandra Pidde, Luis Felipe Morales e Sara González-Bolívar, liderados pelo Prof. Michael Krieg, juntamente com Pablo Fernández e Cedric Hurth, desenvolveram um método para conectar dois neurônios usando luciferases, enzimas emissoras de luz e canais iônicos sensíveis à luz.
Eles desenvolveram e testaram um sistema chamado PhAST - abreviação de fótons como transmissores sinápticos - na lombriga Caenorhabditis elegans, um organismo modelo amplamente utilizado para estudar processos biológicos específicos. Assemelhando-se a como os animais bioluminescentes usam fótons para se comunicar, PhAST usa as enzimas luciferases para enviar fótons, em vez de produtos químicos, como transmissores entre os neurônios.
Substituição de neurotransmissores químicos por fótons
Para testar se os fótons poderiam codificar e transmitir o estado de atividade entre dois neurônios, a equipe modificou geneticamente as lombrigas para ter neurotransmissores defeituosos, tornando-as insensíveis a estímulos mecânicos. Eles tinham como objetivo superar esses defeitos usando o sistema PhAST. Em segundo lugar, eles projetaram enzimas emissoras de luz luciferases e selecionaram canais iônicos que eram sensíveis à luz.
Para acompanhar o fluxo de informações, eles desenvolveram um dispositivo que transmitia tensões mecânicas ao nariz do animal enquanto media, ao mesmo tempo, a atividade do cálcio nos neurônios sensoriais, um dos íons mais importantes e mensageiros intracelulares.
Para poder ver os fótons e estudar a bioluminescência, a equipe já havia projetado um novo microscópio simplificando um de fluorescência, removendo todos os elementos ópticos desnecessários, como filtros, espelhos ou o próprio laser, auxiliado com aprendizado de máquina para reduzir o ruído proveniente das fontes externas de luz.
Os pesquisadores então testaram que o sistema PhAST funcionou em vários experimentos e conseguiu usar fótons para transmitir estados neuronais. Eles foram capazes de estabelecer uma nova transmissão entre duas células desconectadas, restaurando a comunicação neuronal em um circuito defeituoso.
Eles também suprimiram a resposta dos animais a um estímulo doloroso, mudaram sua resposta a um estímulo olfativo de comportamento atraente para aversivo e estudaram a dinâmica do cálcio ao colocar os ovos.
Esses resultados demonstram que os fótons podem, de fato, atuar como neurotransmissores e permitir a comunicação entre os neurônios e que o sistema PhAST permite a modificação sintética do comportamento animal.
O potencial da luz como mensageira
A luz como mensageiro oferece um amplo escopo para futuras aplicações potenciais. Como os fótons podem ser usados em outros tipos de células e várias espécies animais, isso tem amplas implicações tanto para a pesquisa básica quanto para as aplicações clínicas em neurociência.
O uso da luz para controlar e monitorar a atividade neuronal pode ajudar os pesquisadores a entender melhor os mecanismos subjacentes da função cerebral e comportamentos complexos, e como diferentes regiões cerebrais se comunicam entre si, fornecendo novas maneiras de visualizar e mapear a atividade cerebral com maior resolução espacial e temporal. Também poderia ajudar os pesquisadores a desenvolver novos tratamentos e, por exemplo, ser útil para reparar conexões cerebrais danificadas sem cirurgias invasivas.
No entanto, ainda existem algumas limitações para o uso generalizado da tecnologia, e novas melhorias na engenharia das enzimas bioluminescentes e dos canais iônicos ou no direcionamento de moléculas permitiriam controlar opticamente a função neuronal, de forma não invasiva e com maior especificidade e precisão.
Author: Alina Hirschmann
Source: ICFO
Contact: Alina Hirschmann – ICFO Original Research: Closed access.
“Neural engineering with photons as synaptic transmitters” by Montserrat Porta-de-la-Riva et al. Nature Methods