Qualquer pessoa familiarizada com antidepressivos como Prozac ou Wellbutrin sabe que essas drogas aumentam os níveis de neurotransmissores no cérebro, como serotonina e dopamina, que são conhecidos por desempenhar um papel importante no humor e no comportamento.

Pode ser uma surpresa, então, que os cientistas ainda tenham muito poucos dados sobre a relação específica entre neurotransmissores – substâncias químicas que transmitem mensagens de uma célula cerebral para outras – e nossos estados psicológicos. Simplificando, monitorar as flutuações desses neuroquímicos em cérebros vivos provou ser um desafio persistente.

Agora, pela primeira vez, os cientistas da UCLA anexaram sensores bioquímicos em nanoescala, que são sintonizados para identificar neurotransmissores específicos, a uma sonda cerebral implantável e macia para monitorar continuamente esses produtos químicos em tempo real. A nova sonda cerebral, descrita em um artigo publicado na ACS Sensors, permitiria aos cientistas rastrear neurotransmissores em animais de laboratório – e, finalmente, humanos – durante suas atividades diárias.

A capacidade de medir continuamente os neurotransmissores em alta resolução por longos períodos forneceria uma compreensão mais precisa de como a serotonina, a dopamina e outros neurotransmissores afetam os estados psicológicos, potencialmente levando a tratamentos mais eficazes para a depressão e outros distúrbios de saúde mental, disse o autor correspondente do artigo, Anne Andrews, professora de psiquiatria e ciências biocomportamentais da UCLA e de química e bioquímica.

“Sabemos que a serotonina e a dopamina estão envolvidas em alguns dos aspectos comportamentais da depressão, mas as causas são complexas e não tão simples quanto ter baixos níveis de um único transmissor”, disse Andrews, que também é membro do California NanoSystems Institute da UCLA e Centro Hatos de Neurofarmacologia. “Achamos que esse tipo de sonda será útil para estudos de processos cerebrais de longo prazo em animais experimentais – especialmente os processos subjacentes a distúrbios psiquiátricos”.

A sonda macia representa um avanço significativo em relação às sondas cerebrais convencionais, cuja rigidez pode irritar o tecido cerebral a cada movimento da cabeça, levando a uma inflamação que muitas vezes interrompe a capacidade da sonda de ler e registrar. A flexibilidade da sonda flexível permitiria que um indivíduo se movesse livremente enquanto fosse monitorado, disseram os pesquisadores.

A equipe de pesquisa fabricou a pequena sonda em forma de seta, com aproximadamente 0,15 milímetros de largura e 0,007 milímetros de espessura, em uma base de poliimida, um polímero resistente e flexível frequentemente usado em tubos médicos, como cateteres, e em outros dispositivos médicos que são inseridos no corpo.

Dois sensores ligados à ponta da sonda detectam a presença de um neurotransmissor específico - neste caso, a serotonina - usando cadeias de DNA projetadas chamadas aptâmeros, que são projetadas para que as moléculas de serotonina se encaixem nelas como uma chave na fechadura. Quando a serotonina se liga, os aptâmeros mudam de forma de forma a alterar os campos elétricos na superfície de um transistor, transmitindo a informação aos cientistas.

A sonda macia foi então implantada em um modelo de cérebro que imita as propriedades estruturais e químicas do tecido cerebral natural pelo primeiro autor Chuanzhen Zhao. Zhao, que obteve seu doutorado em química e bioquímica na UCLA e agora é um bolsista de pós-doutorado na Universidade de Stanford, injetou serotonina no modelo próximo à sonda e descobriu que os sensores da sonda detectaram com sucesso baixos níveis de serotonina semelhantes aos que ocorrem em um cérebro vivo. .

Embora a pesquisa atual tenha como alvo a serotonina, Andrews observou que os pesquisadores poderiam facilmente colocar sensores específicos de neurotransmissores adicionais – que seu grupo já desenvolveu – nas sondas suaves, permitindo que os cientistas detectassem vários neurotransmissores simultaneamente. E embora a sonda ainda não tenha sido testada em cérebros vivos, a capacidade de monitorar vários neurotransmissores, juntamente com a flexibilidade e a longevidade da sonda, pode ser um benefício para os cientistas que estudam processos cerebrais em animais a longo prazo.

“Por exemplo, se quisermos estudar o que acontece no cérebro enquanto um animal está aprendendo uma tarefa ou durante o envelhecimento , nossos sensores podem fornecer várias medições neuroquímicas por longos períodos de tempo”, disse ela.

Os pesquisadores disseram que as sondas macias também poderiam ser usadas para ajudar a melhorar a terapia de estimulação cerebral profunda, na qual eletrodos implantados no cérebro regulam o disparo elétrico neural em doenças como Parkinson e epilepsia, bem como interfaces cérebro-máquina, que são prejudicadas por a rigidez de seus substratos.

Zhao e Andrews usaram recentemente biossensores de transistor de efeito de campo de aptâmero semelhantes em poliimida para monitorar os níveis do hormônio do estresse cortisol no suor das pessoas por meio de um smartwatch.

Os coautores da pesquisa são Tianxing Man, que recebeu seu doutorado em engenharia na UCLA; Yan Cao, aluno de pós-graduação da UCLA; Paul Weiss, professor de química e bioquímica na UCLA College e de ciência e engenharia de materiais na UCLA Samueli School of Engineering; e Harold Monbouquette, professor de engenharia química e biomolecular na UCLA Samueli School.