Há cerca de dez anos, pesquisadores começaram a explorar uma ideia ousada: usar luz bioluminescente para observar o que o cérebro está fazendo 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 de dentro?'” disse Christopher Moore, professor de ciência do cérebro na Universidade Brown. “Iluminar o cérebro é usado para medir a atividade — geralmente através de um processo chamado fluorescência — ou para direcionar a atividade em células para testar qual papel elas desempenham. Mas disparar lasers no cérebro tem desvantagens quando se trata de experimentos, frequentemente exigindo equipamentos sofisticados e uma taxa de sucesso menor. Concluímos que poderíamos usar bioluminescência em vez disso.”
Construindo o Centro de Bioluminescência
Essa ideia ajudou a lançar o Centro de Bioluminescência no Instituto Carney para Ciência do Cérebro da Universidade Brown em 2017. Apoiado por uma importante bolsa da Fundação Nacional de Ciência, o centro reuniu colaboradores, incluindo Moore (diretor associado do Instituto Carney), Diane Lipscombe (diretora do instituto), Ute Hochgeschwender (na Universidade Central de Michigan) e Nathan Shaner (na Universidade da Califórnia em San Diego).
A equipe se propôs a criar e compartilhar novas ferramentas de neurociência, dando às células do sistema nervoso a capacidade de produzir luz e responder a ela.
Uma Nova Ferramenta para Observar Neurônios Brilhando
Em um estudo publicado na Nature Methods, os pesquisadores descreveram uma nova ferramenta de imagem bioluminescente que desenvolveram. Conhecida como Monitor de Atividade Bioluminescente Ca2+ — ou “CaBLAM,” para abreviar — a ferramenta pode capturar atividade dentro de células individuais e até mesmo de regiões celulares menores em alta velocidade. Ela funciona efetivamente em camundongos e zebras, suporta gravações que duram horas e não requer qualquer fonte de luz externa.
Moore disse que Shaner, professor associado de neurociência e farmacologia na U.C. San Diego, liderou o esforço para projetar o dispositivo molecular por trás do CaBLAM. “CaBLAM é uma molécula realmente incrível que Nathan criou,” disse Moore. “Ela cumpre o que promete.”
Por Que Medir a Atividade Cerebral É Importante
Rastrear a atividade das células cerebrais vivas é crucial para entender como os organismos funcionam, explicou Moore. Hoje, a maneira mais comum de fazer isso depende de indicadores de cálcio geneticamente codificados baseados em fluorescência.
“No modo como a fluorescência funciona, você ilumina algo com feixes de luz e recebe de volta um comprimento de onda diferente de feixes de luz,” disse Moore, que dirige o Centro de Bioluminescência. “Você pode tornar esse processo sensível ao cálcio para obter proteínas que mudam a quantidade ou cor da luz emitida, dependendo da presença ou não de cálcio, com um sinal brilhante.”
Embora as técnicas de fluorescência sejam amplamente utilizadas, Moore disse que elas apresentam grandes desvantagens. A exposição prolongada à intensa luz externa pode danificar as células cerebrais. Com o tempo, essa iluminação também pode alterar as moléculas fluorescentes, fazendo com que elas deixem de emitir luz suficiente, um problema conhecido como fotodegradação que limita a duração dos experimentos. Além disso, a entrega de luz ao cérebro requer equipamentos como lasers e fibras óticas, tornando os experimentos mais invasivos.
Por Que a Bioluminescência Oferece Vantagens Claras
A imagem bioluminescente funciona de maneira diferente. A luz é gerada quando uma enzima decompõe uma molécula pequena específica, o que significa que não é necessária uma luz externa intensa. Como resultado, não há fotodegradação e nenhum dano fototóxico, tornando essa abordagem mais segura para o delicado tecido cerebral.
Ela também produz imagens mais claras.
“O tecido cerebral já brilha fracamente por conta própria quando iluminado por luz externa, criando ruído de fundo,” disse Shaner. “Além disso, o tecido cerebral dispersa luz, borrando tanto a luz que entra quanto o sinal que sai. Isso torna as imagens mais escuras, desfocadas e mais difíceis de ver nas profundezas do cérebro. O cérebro não produz bioluminescência naturalmente, então quando os neurônios engenheirados brilham por conta própria, eles se destacam contra um fundo escuro, quase sem interferência. E com bioluminescência, as células cerebrais funcionam como seus próprios faróis: você só precisa observar a luz que sai, o que é muito mais fácil de ver, mesmo quando dispersa através do tecido.”
Moore observou que os cientistas discutiram o uso da bioluminescência para estudar a atividade cerebral por décadas, mas até agora ninguém havia conseguido fazer a luz ser brilhante o suficiente para imagens detalhadas.
Os Avanços que Tornaram o CaBLAM Possível
“O artigo atual é empolgante por muitos motivos,” disse Moore. “Essas novas moléculas proporcionaram, pela primeira vez, a capacidade de ver células únicas ativadas independentemente, quase como se você estivesse usando uma câmera de filme muito especial e sensível para gravar a atividade cerebral enquanto ela acontece.”
Usando o CaBLAM, os pesquisadores podem observar como um único neurônio se comporta dentro de um animal vivo, incluindo a atividade em diferentes partes da célula. No estudo, a equipe relatou uma sessão de gravação contínua de cinco horas, algo que não seria possível com os métodos tradicionais baseados em fluorescência.
“Para estudar comportamentos complexos ou aprendizado, a bioluminescência permite capturar todo o processo, com menos hardware envolvido,” disse Moore.
Além de Imaginar o Cérebro
O projeto CaBLAM faz parte de um esforço maior no hub para inventar novas maneiras de observar e controlar a atividade cerebral. Um experimento envolve uma célula viva emitindo um clarão de luz que uma célula próxima pode detectar, permitindo que os neurônios se comuniquem usando a própria luz (o que Moore chama de “reconfigurar o cérebro com luz”). A equipe também está desenvolvendo técnicas que usam cálcio para regular a atividade celular.
À medida que esses projetos evoluíam, os pesquisadores perceberam que todos eles dependiam de sensores de cálcio mais brilhantes e eficazes. Essa necessidade se tornou um foco central do trabalho do hub, disse Moore.
“Nos certificamos de que, como um centro que está tentando avançar na área, criamos as peças de componente necessárias,” disse Moore.
Uma Ferramenta com Potencial Mais Amplo
Moore acredita que o CaBLAM poderia eventualmente ser aplicado além da neurociência para estudar a atividade em outras partes do corpo.
“Esse avanço permite uma nova gama de opções para ver como o cérebro e o corpo funcionam,” disse Moore, “incluindo rastrear a atividade em múltiplas partes do corpo ao mesmo tempo.”
Ele acrescentou que a conquista destaca a força da pesquisa colaborativa. Pelo menos 34 cientistas contribuíram para o projeto, representando parceiros do Centro de Bioluminescência, como a Universidade Brown, a Universidade Central de Michigan, a U.C. San Diego, a Universidade da Califórnia em Los Angeles e a Universidade de Nova York. O trabalho foi apoiado por financiamento dos Institutos Nacionais de Saúde, da Fundação Nacional de Ciência e da Fundação Paul G. Allen.
