Os cientistas desenvolveram uma proteína que regista as mensagens químicas que as células cerebrais recebem, em vez de se concentrarem apenas nos sinais que enviam. Esses sinais recebidos são produzidos quando os neurônios liberam glutamato, um neurotransmissor que desempenha um papel importante na comunicação cerebral. Embora o glutamato seja fundamental para processos como aprendizagem e memória, a sua actividade é extremamente difícil de medir porque o sinal é fraco e ocorre muito rapidamente.
A nova ferramenta pode detectar essas mensagens químicas sutis à medida que chegam, permitindo aos pesquisadores compreender partes há muito escondidas da comunicação cerebral.
Por que esta descoberta 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 entradas e a forma como combina esses sinais determina se produz uma saída. Acredita-se que esse processo esteja subjacente à tomada de decisões, ao pensamento e à memória, e estudá-lo diretamente poderia ajudar a explicar como o cérebro realiza cálculos complexos.
Este avanço também abre novos caminhos para a pesquisa de doenças. Problemas com a sinalização do glutamato têm sido associados à doença de Alzheimer, esquizofrenia, autismo, epilepsia e outras doenças. Ao medir estes sinais com mais precisão, os investigadores poderão determinar as raízes biológicas destas doenças.
O desenvolvimento de medicamentos também pode ser beneficiado. As empresas farmacêuticas poderiam utilizar estes sensores para observar como os tratamentos experimentais afectam a actividade sináptica 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 Howard Hughes Medical Institute. É chamado de iGluSnFR4 (pronuncia-se “farejador de cola”) e atua como um “indicador de glutamato” molecular. Sua sensibilidade permite detectar os sinais de entrada mais fracos trocados entre os neurônios.
Ao revelar quando e onde o glutamato é liberado, o iGluSnFR4 fornece uma nova maneira de explicar os padrões complexos de atividade cerebral que apoiam a aprendizagem, a memória e a emoção. Ele permite que os cientistas observem a comunicação dos neurônios dentro do cérebro em tempo real. As descobertas, publicadas recentemente na revista Nature Methods, podem mudar significativamente a forma como a atividade neural é medida e analisada na pesquisa em neurociência.
Como as células cerebrais se comunicam
Para entender o impacto desse avanço, é útil entender 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 a pequena lacuna para chegar ao próximo neurônio, conhecido como sinapse.
Em vez disso, o sinal desencadeia a liberação de neurotransmissores 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 faz com que a célula dispare, continuando a cadeia de comunicação.
De trechos a conversas completas
O processo pode ser comparado à queda de dominós, mas é muito mais complexo. Cada neurônio recebe informações de milhares de outros neurônios, e apenas certas combinações e padrões de atividade acionam o disparo do neurônio receptor. Com este novo sensor de proteínas, os cientistas podem agora identificar quais padrões de atividade recebida levam a esta resposta.
Até agora, observar estes sinais recebidos em tecido cerebral vivo tem sido quase impossível. As técnicas anteriores eram muito lentas ou não tinham a sensibilidade necessária para medir a atividade sináptica individual. Como resultado, os investigadores veem apenas parte do processo de comunicação, e não a troca completa. Essa nova abordagem permitiu capturar conversas inteiras.
Compreendendo as conexões neurais
“É como ler um livro com todas as palavras embaralhadas e não entender a ordem das palavras ou como elas estão organizadas”, disse o autor principal do estudo, Kaspar Podgorski, Ph.D., cientista sênior do Instituto Allen. “Sinto que o que estamos fazendo aqui é adicionar conexões entre esses neurônios e, ao fazer isso, agora entendemos a ordem das palavras na página e o que elas significam”.
Antes do advento de sensores de proteínas como o iGluSnFR4, os pesquisadores só podiam medir sinais de neurônios. Isto deixa uma grande lacuna na compreensão porque os sinais recebidos são demasiado rápidos e demasiado fracos para serem detectados.
“Os neurocientistas têm excelentes formas de medir as ligações estruturais entre os neurónios e, em experiências separadas, podemos medir o que alguns neurónios do cérebro dizem, mas não somos bons a combinar as duas informações. É difícil medir o que os neurónios dizem a outros neurónios”, disse Podgorski. “O que inventamos aqui é uma maneira de medir a informação que entra nos neurônios de diferentes fontes, o que é uma peça-chave que faltava na pesquisa em neurociência.”
A colaboração por trás da inovação
“O sucesso do iGluSnFR4 resultou da estreita colaboração entre nossa equipe do projeto GENIE no Janelia Research Campus do HHMI e o laboratório Kaspar. Esta pesquisa foi estendida ao incrível trabalho de caracterização in vivo feito pelo Grupo de Neurodinâmica do Allen Institute”, disse Jeremy Hasseman, Ph.D., cientista do Janelia Research Campus do Howard Hughes Medical Institute. “Este é um grande exemplo de colaboração entre laboratórios e institutos para permitir novas descobertas em neurociências.”
Uma nova janela para a função cerebral
A descoberta supera uma grande limitação da neurociência moderna, tornando possível observar diretamente como os neurônios recebem informações. Agora que o iGluSnFR4 está disponível através da Addgene, os cientistas têm uma nova ferramenta poderosa para explorar a função cerebral com mais detalhes. À medida que esta tecnologia se espalha, poderá ajudar a revelar respostas a algumas das questões mais persistentes do cérebro.
