Há cerca de uma década, os investigadores começaram a explorar uma ideia ousada: usar a bioluminescência para ver o que o cérebro estava a fazer em tempo real. Eles se perguntaram se conseguiriam fazer com que os neurônios se iluminassem por conta própria, em vez de lançar luz externa sobre o tecido cerebral.
“Começamos a pensar: ‘E se pudéssemos iluminar o cérebro por dentro?'”, Disse Christopher Moore, professor de ciências do cérebro na Universidade Brown. “Irradique luz no cérebro para medir a atividade – geralmente através de um processo chamado fluorescência – ou conduza a atividade nas células para testar o papel que desempenham. Mas em experimentos, disparar lasers no cérebro tem desvantagens, muitas vezes exigindo hardware caro e taxas de sucesso mais baixas. Pensamos que poderíamos usar a bioluminescência em vez disso.”
Estabelecendo um centro de bioluminescência
Essa ideia ajudou o Instituto Carney de Ciência do Cérebro da Universidade Brown a lançar o Centro de Bioluminescência em 2017. Com financiamento significativo da National Science Foundation, o centro reúne colaboradores como Moore (Diretor Adjunto do Instituto Carney), Diane Lipscombe (Diretora do Instituto), Ute Hochgeschwender (Universidade Central de Michigan) e Nathan Shaner (Universidade da Califórnia, San Diego).
A equipe decidiu criar e compartilhar novas ferramentas de neurociência, dando às células do sistema nervoso a capacidade de gerar e responder à luz.
Nova ferramenta para observar a iluminação dos neurônios
Num estudo publicado em método naturalos pesquisadores descrevem uma nova ferramenta de imagem bioluminescente que desenvolveram. A ferramenta, chamada Monitor de Atividade de Bioluminescência de Ca2+ (“CaBLAM”, abreviadamente), pode capturar atividade em células individuais ou até mesmo em regiões celulares menores em alta velocidade. Funciona de forma eficiente em ratos e peixes-zebra, suporta gravações que duram várias horas e não requer nenhuma fonte de luz externa.
Moore disse que Shaner, professor associado de neurociência e farmacologia na UC San Diego, liderou o projeto do dispositivo molecular por trás do CaBLAM. “CaBLAM é uma molécula realmente incrível que Nathan criou”, disse Moore. “Faz jus ao 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, os métodos mais comuns dependem de indicadores de cálcio geneticamente codificados baseados em fluorescência.
“Da forma como a fluorescência funciona, você direciona um feixe de luz para alguma coisa e obtém feixes de luz de diferentes comprimentos de onda”, disse Moore, que dirige o Centro de Bioluminescência. “Você pode tornar esse processo sensível ao cálcio, para obter proteínas que retornam uma quantidade diferente ou uma cor de luz diferente, dependendo da presença ou não do cálcio, e enviam um sinal brilhante.”
Embora as técnicas de fluorescência sejam amplamente utilizadas, Moore disse que elas também apresentam desvantagens significativas. A exposição prolongada à luz externa forte pode danificar as células cerebrais. Com o tempo, esta iluminação também altera as próprias moléculas fluorescentes, de modo que já não emitem luz suficiente, um problema conhecido como fotodegradação que limita o tempo de duração da experiência. Além disso, fornecer luz ao cérebro requer equipamentos como lasers e fibras ópticas, tornando o experimento mais invasivo.
Por que a bioluminescência tem vantagens claras
A imagem de bioluminescência funciona de maneira diferente. A luz é produzida quando as enzimas quebram pequenas moléculas específicas, o que significa que nenhuma luz externa brilhante é necessária. Portanto, não há fotodegradação e danos fototóxicos, tornando este método mais seguro para tecidos cerebrais delicados.
Também produz imagens mais nítidas.
“Quando exposto à luz externa, o próprio tecido cerebral emite um brilho fraco, criando ruído de fundo”, disse Shaner. “Além disso, o tecido cerebral espalha a luz, desfocando a luz que chega e retornando os sinais. Isso torna a imagem mais escura e embaçada, tornando mais difícil ver profundamente no cérebro. O cérebro não produz bioluminescência naturalmente, então quando os neurônios projetados brilham por conta própria, eles se destacam contra um fundo escuro com pouca interferência. Com a bioluminescência, as células cerebrais agem como seus próprios faróis: você apenas observa a luz emitida e é mais fácil ver o tecido mesmo com luz dispersa. “
Moore observou que os cientistas têm falado sobre o uso da bioluminescência para estudar a atividade cerebral há décadas, mas até agora ninguém conseguiu tornar a luz brilhante o suficiente para imagens detalhadas.
Insights que tornam o CaBLAM possível
“O artigo atual é interessante por vários motivos”, disse Moore. “Essas novas moléculas fornecem, pela primeira vez, a capacidade de observar a ativação de células individuais de forma independente, quase como se você estivesse usando uma câmera de cinema muito especial e sensível para registrar a atividade cerebral à medida que ela ocorre.”
Usando o CaBLAM, os pesquisadores podem observar o comportamento de neurônios individuais em animais vivos, incluindo a atividade de diferentes partes da célula. Neste estudo, a equipe relata cinco horas de gravação contínua, o que não é possível com métodos tradicionais baseados em fluorescência.
“Para estudar comportamentos complexos ou aprendizagem, a bioluminescência permite capturar todo o processo com menos hardware envolvido”, disse Moore.
Além da imagem cerebral
O projeto CaBLAM faz parte de um esforço maior do centro para inventar novas formas de observar e controlar a atividade cerebral. Um experimento envolve células vivas emitindo flashes de luz que as células próximas podem detectar, permitindo que os neurônios se comuniquem usando a própria luz (Moore chama isso de “religar o cérebro com luz”). A equipe também está desenvolvendo tecnologia para usar o cálcio para regular a atividade celular.
À medida que estes projetos evoluíram, os investigadores perceberam que todos dependiam de sensores de cálcio mais brilhantes e eficientes. Essa necessidade tornou-se o foco do trabalho do centro, disse Moore.
“Temos certeza de que, como centro que tenta fazer avançar este campo, criamos os blocos de construção necessários”, disse Moore.
Ferramentas com potencial mais amplo
Moore acredita que o CaBLAM poderia eventualmente ser usado fora da neurociência para estudar atividades em outras partes do corpo.
“Este avanço abre um novo conjunto de opções para observar como o cérebro e o corpo funcionam, incluindo o rastreamento da atividade em múltiplas partes do corpo simultaneamente”, disse Moore.
Ele acrescentou que esta conquista destaca 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. Este trabalho foi apoiado por doações dos Institutos Nacionais de Saúde, da National Science Foundation e da Paul G. Allen Family Foundation.
