Frontiers for Young Minds

Células especiais no cérebro e no sistema nervoso, chamadas neurónios, trabalham em conjunto para produzir todos os nossos pensamentos e comportamentos. A fim de entender como o cérebro controla o comportamento, nós precisamos entender como os neurônios se comunicam. O cérebro humano é muito complexo, mas muitas das propriedades do cérebro humano são semelhantes às de outros animais. Isto significa que os neurocientistas (cientistas que estudam o cérebro e o sistema nervoso) podem usar animais simples para descobrir coisas novas sobre o cérebro humano. Foi assim que a comunicação entre os neurônios foi descoberta.

Como os neurônios se comunicam entre si?

Neurônios se comunicam usando uma combinação de atividade elétrica e química. Os primeiros cientistas descobriram isso através de observações e experimentos inteligentes. No final do século XVII, um cientista italiano chamado Luigi Galvani caminhava por um mercado durante uma tempestade relâmpago. Ele viu algumas pernas de sapo à venda e notou que elas estavam se contorcendo. Ele levantou a hipótese de que a electricidade da tempestade estava a activar os nervos nas pernas de rã. Ele decidiu testar essa hipótese em seu laboratório. Galvani usou um objeto que permite o fluxo de corrente elétrica, chamado eletrodo, para passar uma corrente elétrica para o nervo da rã. Isto fez com que a perna da rã se contraísse. Este foi o primeiro estudo de estimulação elétrica em neurociência. A partir desta descoberta, Galvani concluiu que os neurônios podiam usar sinais elétricos para passar informações. Isto é importante de se saber! Agora que sabemos como os neurônios falam uns com os outros, podemos começar a falar a língua deles. Podemos usar sinais elétricos para ligar alguns neurônios, e ver o que acontece a seguir. Isto é exatamente o que os cientistas começaram a fazer.

Só nos anos 30 é que a estimulação elétrica foi usada para mapear o cérebro humano. O Dr. Wilder Penfield, um cirurgião cerebral, estava trabalhando com pacientes que tinham epilepsia. A epilepsia causa sinais elétricos anormais no cérebro e pode ser muito perigosa. Em casos extremos, a cirurgia cerebral é necessária para parar a epilepsia. O Dr. Penfield queria mapear o cérebro de seus pacientes para descobrir quais partes do cérebro eram mais importantes. Isso o ajudaria a saber em que áreas do cérebro ele não deveria operar. Para mapear o cérebro, ele usou a estimulação eléctrica, tal como o Galvani fez. Ele baixou um pequeno eletrodo para as áreas motoras (movimento) do cérebro. Então, ele enviou um pequeno sinal elétrico e observou os movimentos do paciente. A estimulação em uma área do cérebro causou um estremecimento dos dedos, enquanto a estimulação em uma área ligeiramente diferente do cérebro causou um estremecimento dos pés. Isto levou o Dr. Penfield a perceber que certas áreas do cérebro controlam áreas muito específicas do corpo. O Dr. Penfield notou que a localização das áreas motoras do cérebro era semelhante em todos os seus pacientes. Ele criou diagramas dos seus resultados, que nos deram o primeiro mapa funcional das áreas motoras do cérebro humano. Os mapas funcionais do Dr. Penfield, conhecidos como homúnculos, ainda hoje são usados.

Desde os anos 30, os experimentos de estimulação cerebral mudaram. Os estudos de estimulação eléctrica têm alguns inconvenientes. Um problema é que o cérebro pode ser danificado quando um eletrodo é inserido. Outro problema é que a estimulação elétrica ativa o tecido de uma forma muito geral, não seletiva (Figura 1A). É como usar um bulldozer quando uma pá o faz – o bulldozer é eficaz, mas não é muito preciso ou cuidadoso. Em 2005, uma nova técnica foi criada para permitir uma estimulação cerebral mais precisa. Esta técnica é chamada de optogenética.

O que é Optogenética?

Optogenética é um método para controlar a atividade de um neurônio usando luz e engenharia genética. A engenharia genética é um processo onde os cientistas mudam a informação no código genético (as plantas) de um ser vivo. Em estudos optogenéticos, os cientistas pegam o código genético dos neurônios que querem estudar e adicionam um novo pedaço de código a ele. O novo código permite que esses neurônios façam proteínas especiais, chamadas opsinas, que respondem à luz. As opsinas ocorrem naturalmente e foram descobertas pela primeira vez em algas, que usam essas proteínas para ajudá-los a se moverem em direção à luz. Mas como é que a opsina entra no neurónio? Isto requer algumas técnicas laboratoriais especializadas. Vamos ver um rato como nosso exemplo. Para que a opsina entre nos neurónios de um rato, o código genético da opsina deve ser cuidadosamente inserido no código genético dos neurónios do rato. Se isto for feito correctamente, agora todos os neurónios do rato devem ter a opsina. Como entendemos muito sobre o código genético do rato, podemos escolher onde colocar a opsina. Podemos inserir o código em um tipo específico de neurônio, ou em um local específico no cérebro. Podemos escolher exatamente quais neurônios queremos controlar.

Em neurociência, a opsina mais popular é chamada de channelrhodopsin-2 (ChR2). Esta opsina vem da alga verde Chlamydomonas reinhardtii . ChR2 é activada pela luz azul, o que significa que só funciona quando a luz azul brilha sobre ela e não responde a outros tipos de luz. Quando o ChR2 é inserido em neurónios, significa que os neurónios podem ser activados com luz azul. Os neurônios com ChR2 só estarão ligados enquanto a luz azul estiver brilhando sobre eles. Isto nos dá um controle preciso sobre o tempo de atividade do neurônio. Normalmente, os neurônios não são afetados pela luz azul (Figura 1B), assim apenas os neurônios que possuem ChR2 serão afetados pela luz azul (Figura 1C).

Optogenetic Stimulation is More Specific Than Electrical Stimulation

Just like there are many roads in a city, there are many pathways in the brain. Se quisermos saber como o Ponto A se liga ao Ponto B numa cidade, podemos simplesmente olhar para todas as estradas e desenhar um mapa de estradas. Este é um tipo de mapa estrutural: ele nos ajuda a entender como as estradas são montadas. Mas, geralmente há muitas maneiras de ir do Ponto A ao Ponto B, então como sabemos qual é o caminho mais popular? Para descobrir isso, precisamos olhar para os carros que circulam nas estradas enquanto vão do Ponto A para o Ponto B. Este é um mapa funcional: nos ajuda a entender como as estradas estão sendo usadas. No cérebro, os neurónios são como as estradas, e os sinais que viajam de neurónio para neurónio são como os carros. Normalmente, o cérebro é muito ativo e há muitos carros nas estradas o tempo todo. Em todo o mapa cerebral, os carros começam e param as suas viagens em momentos diferentes. Porque, há tanta atividade, não podemos ver nenhum padrão ou entender como as coisas estão relacionadas. Para descobrir os padrões, seria útil poder controlar quando e onde os carros começam a sua viagem.

Imagine que há carros em todas as entradas da nossa cidade. Estes carros estão à espera de um sinal para saírem nas estradas (Figura 2A). Em um estudo de estimulação elétrica, podemos controlar quando os carros começam a viajar, mas não temos muito controle sobre quais carros irão sair nas estradas. Com a estimulação elétrica, a estimulação é geral. Todos os carros próximos à estimulação serão enviados para a estrada. Isto significa que há muita atividade a seguir (Figura 2B). Em um estudo de estimulação optogenética, podemos escolher exatamente quais carros queremos sair para a estrada e quando. Podemos escolher um grupo de carros por localização (por exemplo, podemos escolher que todos os carros de um bairro saiam na estrada), ou podemos escolher por tipo de carro (por exemplo, podemos escolher que apenas caminhões saiam na estrada) (Figura 2C). Isto é um estímulo selectivo. O movimento dos carros é muito mais fácil de seguir neste caso. Ele nos diz mais sobre como carros específicos operam nas estradas.

Como é usada a Optogenética para Mapear o Cérebro?

Optogenética pode ser usada de várias maneiras diferentes para mapear o cérebro do rato (revisto na Ref. ).

Apenas como podemos ampliar ou diminuir o mapa de uma cidade para ver as principais rodovias (Figura 3A), ou ampliar o mapa para ver um único bloco de cidade (Figura 3B), também podemos ampliar ou diminuir o cérebro. Podemos fazer zoom para fora do cérebro para ver como grandes áreas do cérebro se conectam e trabalham juntas (Figura 3C). Esta visão em grande escala é boa se estivermos interessados na forma como a informação viaja por longas distâncias no cérebro, ou que áreas do cérebro estão conectadas umas às outras. Por exemplo, as grandes cidades tendem a ter mais estradas e rodovias passando por elas, porque muitas pessoas viajam de e para essas cidades. Usando a optogenética para estimular uma área do cérebro e registrar as respostas em outras áreas do cérebro, podemos descobrir quais áreas do cérebro têm mais tráfego. Isto é importante para entender como certos comportamentos são produzidos, mas também pode ser importante para entender o que acontece se o cérebro é danificado em uma determinada área (por exemplo, se houver um acidente na quarta rua, como o tráfego vai redirecionar?).

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Também podemos fazer zoom no cérebro para ver como os neurónios individuais se ligam (Figura 3D). Usando a optogenética, podemos investigar como os neurônios trabalham juntos, usando luz para ligar alguns neurônios e registrar a resposta dos outros neurônios. Esta visão detalhada é útil para entender como e quando os neurônios se comunicam uns com os outros. Isto pode ser muito útil para investigar doenças que interrompem a comunicação entre neurônios em uma determinada área, que é o que acontece quando alguém tem um derrame cerebral (leia mais sobre isto na próxima seção).

Optogenetic mapping creates many possibilities for investigating how the brain work. À medida que as técnicas optogenéticas melhoram e mais opsinas são criadas ou descobertas, há a possibilidade de ainda mais controle nos estudos de estimulação cerebral. Talvez possamos usar várias opsinas para controlar vários tipos diferentes de neurônios ao mesmo tempo. Como cada opsina responde a um tipo específico de luz, poderíamos usar diferentes luzes para controlar diferentes tipos de neurónios. De fato, algumas opsinas agem para desligar os neurônios quando o tipo certo de luz está presente.

Em nosso exemplo de mapeamento de carros na cidade, poderíamos usar múltiplos sinais para controlar o movimento dos carros. Poderíamos ter um conjunto de carros a sair na estrada quando damos um sinal (digamos, uma luz azul) e outro conjunto de carros a sair na estrada quando damos um sinal diferente (digamos, uma luz vermelha). Usando esta configuração, poderíamos começar a experimentar estes dois conjuntos de carros: o que acontece se os semáforos vermelhos forem primeiro? O que acontece se os carros com farol azul forem os primeiros? O que acontece se os carros forem ao mesmo tempo? Isso nos ajudaria a entender como esses diferentes conjuntos de carros interagem entre si.

Então como um cientista escolhe qual técnica ou qual opsina usar? A resposta vai depender da pergunta que o cientista quiser explorar. A próxima seção destacará algumas das questões que foram investigadas usando a optogenética.

Recent Discoveries Using Optogenetics

Os cientistas do cérebro começaram a usar a optogenética em 2005 . Desde então, métodos optogenéticos têm sido usados para estudar o cérebro de muitos pontos de vista diferentes – desde a comunicação de um grupo de neurônios individuais, até as interações entre grandes regiões cerebrais (revisado na Ref. ). Muitos outros estudos têm usado métodos optogenéticos para investigar diferentes tópicos e questões. Algumas questões recentes são: onde está o medo no cérebro? Como é calculado o risco e a recompensa? Como são armazenadas as memórias? (revisado na Ref. ). Usamos a optogenética em ratos para investigar como o cérebro muda após um AVC. Um AVC acontece quando o fornecimento de sangue a uma área do cérebro é interrompido ou reduzido. Isto é perigoso porque o fornecimento de sangue transporta oxigênio e outros nutrientes importantes que o cérebro precisa para sobreviver. Se qualquer área do cérebro passar muito tempo sem oxigênio, os neurônios dessa área eventualmente morrerão. Isto causa problemas para essa área específica do cérebro e para quaisquer outras áreas do cérebro que estejam conectadas a ela. No nosso estudo, quisemos investigar como um pequeno AVC numa área do cérebro afectou muitas outras áreas do cérebro. Para começar, usamos o ChR2 para nos ajudar a desenhar um mapa funcional do cérebro do rato. Comparamos os mapas entre animais com e sem acidente vascular cerebral. Descobrimos que os mapas mudaram ao longo do tempo. Com 1 semana após o AVC, a atividade cerebral geral era muito baixa. Surpreendentemente, a atividade era baixa, mesmo em uma área distante do acidente vascular cerebral. Em 8 semanas após o AVC, a atividade cerebral geral era mais alta, mas não voltou ao normal. A partir destes dados, concluímos que mesmo um pequeno AVC pode ter um grande efeito na forma como o cérebro funciona como um todo. Entender o que acontece com o cérebro após um AVC pode ajudar os cientistas a criar melhores tratamentos para os pacientes com AVC. Este é apenas um exemplo de como a optogenética pode ser útil para investigar questões sobre o cérebro. É provável que os cientistas do cérebro continuem a usar a optogenética por muitos anos.

Glossary

Neurons: Células especiais no cérebro comunicam entre si através do envio e recepção de sinais eléctricos e químicos. Há bilhões de neurônios no cérebro, e os sinais enviados entre essas células são a base de todos os nossos pensamentos e comportamentos. Neurônios são às vezes chamados de células nervosas.

Estudo de Estimulação Elétrica: Uma técnica para activar neurónios ou vias neurais inserindo um pequeno eléctrodo e enviando uma corrente eléctrica para o tecido. Isto causa alterações na atividade elétrica do tecido.

Neurosciência: Um ramo da ciência que estuda o cérebro e o sistema nervoso.

Optogenetismo: Uma técnica que usa uma combinação de luz e engenharia genética para controlar a actividade de uma célula.

Engenharia Genética: O processo de alteração da informação no código genético (as plantas) de um ser vivo através da adição ou eliminação de informação. A engenharia genética é por vezes chamada modificação genética.

Opsins: Proteínas que respondem a um tipo específico de luz (por exemplo, ChR2 só responde à luz azul). Em neurociência, estas proteínas são usadas para controlar a atividade neuronal.

Channelrhod-Opsin-2 (ChR2): Uma opsina que responde especificamente à luz azul. Quando ChR2 é inserido nos neurônios, a luz azul pode ser usada para ligar esses neurônios. ChR2 é atualmente a opsina mais popular para estudos optogênicos.

Stroke: Normalmente, o sangue transporta oxigénio e outros nutrientes importantes para o cérebro. Quando o fornecimento de sangue é interrompido ou reduzido, o cérebro não recebe as coisas que precisa para funcionar corretamente. Isto é chamado AVC, e isto pode causar problemas e disfunções duradouras.

Conflict of Interest Statement

Os autores declaram que a pesquisa foi conduzida na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que possam ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.

Original Source Article

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Kolb, B., Whishaw, I. Q., e Teskey, G. C. 2016. An Introduction to Brain and Behavior (Introdução ao Cérebro e ao Comportamento). 5ª ed. Nova York, NY: Worth.

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