O cérebro e o trato digestivo estão em constante comunicação, transmitindo sinais que ajudam a controlar a alimentação e outros comportamentos. Essa extensa rede de comunicação também influencia nosso estado mental e tem sido implicada em muitos distúrbios neurológicos.

Os engenheiros do MIT projetaram uma nova tecnologia para sondar essas conexões. Usando fibras incorporadas com uma variedade de sensores, bem como fontes de luz para estimulação optogenética, os pesquisadores mostraram que podem controlar circuitos neurais que conectam o intestino e o cérebro em camundongos.

Em um novo estudo, os pesquisadores demonstraram que poderiam induzir sentimentos de saciedade ou comportamento de busca de recompensa em camundongos, manipulando as células do intestino. Em trabalhos futuros, eles esperam explorar algumas das correlações observadas entre saúde digestiva e condições neurológicas, como autismo e mal de Parkinson.

“O interessante aqui é que agora temos tecnologia que pode impulsionar a função intestinal e comportamentos como alimentação. Mais importante, temos a capacidade de começar a acessar o crosstalk entre o intestino e o cérebro com a precisão de milissegundos da optogenética, e podemos fazer isso em animais comportados ”, diz Polina Anikeeva, professora de Ciência e Engenharia de Materiais de Matoula S. Salapatas , professor de ciências cerebrais e cognitivas, diretor do K. Lisa Yang Brain-Body Center, diretor associado do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT e membro do Instituto McGovern para Pesquisa do Cérebro do MIT.

Anikeeva é o autor sênior do novo estudo , que aparece hoje na Nature Biotechnology . Os principais autores do artigo são Atharva Sahasrabudhe, estudante de pós-graduação do MIT, Laura Rupprecht, pós-doutora da Duke University, Sirma Orguc, pós-doutora do MIT, e Tural Khudiyev, ex-pós-doutora do MIT.

No ano passado, o Instituto McGovern lançou o K. Lisa Yang Brain-Body Center para estudar a interação entre o cérebro e outros órgãos do corpo. A pesquisa no centro se concentra em esclarecer como essas interações ajudam a moldar o comportamento e a saúde geral, com o objetivo de desenvolver futuras terapias para uma variedade de doenças. 

“Existe uma comunicação bidirecional contínua entre o corpo e o cérebro”, diz Anikeeva. “Por muito tempo, pensamos que o cérebro é um tirano que envia informações para os órgãos e controla tudo. Mas agora sabemos que há muito feedback no cérebro, e esse feedback potencialmente controla algumas das funções que atribuímos anteriormente exclusivamente ao controle neural central”.

Como parte do trabalho do centro, Anikeeva começou a investigar os sinais que passam entre o cérebro e o sistema nervoso do intestino, também chamado de sistema nervoso entérico. As células sensoriais no intestino influenciam a fome e a saciedade por meio da comunicação neuronal e da liberação de hormônios.

Desvendar esses efeitos hormonais e neurais tem sido difícil porque não há uma boa maneira de medir rapidamente os sinais neuronais, que ocorrem em milissegundos.

“Para poder realizar a optogenética intestinal e depois medir os efeitos na função e no comportamento do cérebro, o que requer precisão de milissegundos, precisávamos de um dispositivo que não existia. Então, decidimos fazê-lo”, diz Sahasrabudhe, que liderou o desenvolvimento das sondas intestinais e cerebrais.

A interface eletrônica que os pesquisadores projetaram consiste em fibras flexíveis que podem realizar diversas funções e podem ser inseridas nos órgãos de interesse. Para criar as fibras, Sahasrabudhe usou uma técnica chamada desenho térmico, que lhe permitiu criar filamentos de polímeros, tão finos quanto um cabelo humano, que podem ser embutidos com eletrodos e sensores de temperatura.

Os filamentos também carregam dispositivos emissores de luz em microescala que podem ser usados ??para estimular células optogeneticamente e canais microfluídicos que podem ser usados ??para administrar medicamentos.

As propriedades mecânicas das fibras podem ser adaptadas para uso em diferentes partes do corpo. Para o cérebro, os pesquisadores criaram fibras mais rígidas que podem ser inseridas profundamente no cérebro. Para órgãos digestivos, como o intestino, eles projetaram fibras de borracha mais delicadas que não danificam o revestimento dos órgãos, mas ainda são resistentes o suficiente para suportar o ambiente hostil do trato digestivo.

“Para estudar a interação entre o cérebro e o corpo, é necessário desenvolver tecnologias que possam interagir com órgãos de interesse e com o cérebro ao mesmo tempo, enquanto registram sinais fisiológicos com alta relação sinal-ruído”, Sahasrabudhe diz. “Também precisamos ser capazes de estimular seletivamente diferentes tipos de células em ambos os órgãos em camundongos, para que possamos testar seus comportamentos e realizar análises causais desses circuitos”.

As fibras também são projetadas para que possam ser controladas sem fio, por meio de um circuito de controle externo que pode ser afixado temporariamente ao animal durante um experimento. Este circuito de controle sem fio foi desenvolvido por Orguc, um Schmidt Science Fellow , e Harrison Allen '20, MEng '22, que foram co-aconselhados entre o laboratório Anikeeva e o laboratório de Anantha Chandrakasan, reitor da Escola de Engenharia do MIT e do Vannevar Bush Professor de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação.

Usando essa interface, os pesquisadores realizaram uma série de experimentos para mostrar que podiam influenciar o comportamento por meio da manipulação do intestino e do cérebro.

Primeiro, eles usaram as fibras para fornecer estimulação optogenética a uma parte do cérebro chamada área tegmental ventral (VTA), que libera dopamina. Eles colocaram ratos em uma gaiola com três câmaras e, quando os ratos entraram em uma câmara específica, os pesquisadores ativaram os neurônios dopaminérgicos. A explosão de dopamina resultante tornou os camundongos mais propensos a retornar àquela câmara em busca da recompensa de dopamina.

Então, os pesquisadores tentaram ver se também poderiam induzir esse comportamento de busca de recompensa influenciando o intestino. Para fazer isso, eles usaram fibras no intestino para liberar a sacarose, que também ativou a liberação de dopamina no cérebro e levou os animais a procurar a câmara em que estavam quando a sacarose foi entregue.

Em seguida, trabalhando com colegas da Duke University, os pesquisadores descobriram que poderiam induzir o mesmo comportamento de busca de recompensa ignorando a sacarose e estimulando optogeneticamente as terminações nervosas no intestino que fornecem informações ao nervo vago, que controla a digestão e outras funções corporais.

“Mais uma vez, obtivemos esse comportamento de preferência de lugar que as pessoas já haviam visto com estimulação no cérebro, mas agora não estamos tocando o cérebro. Estamos apenas estimulando o intestino e observando o controle da função central da periferia”, diz Anikeeva.

Sahasrabudhe trabalhou em estreita colaboração com Rupprecht, um pós-doutorando no grupo do professor Diego Bohorquez na Duke, para testar a capacidade das fibras de controlar comportamentos alimentares. Eles descobriram que os dispositivos poderiam estimular optogeneticamente as células que produzem colecistoquinina, um hormônio que promove a saciedade. Quando essa liberação de hormônio foi ativada, o apetite dos animais foi suprimido, mesmo que estivessem em jejum por várias horas. Os pesquisadores também demonstraram um efeito semelhante quando estimularam células que produzem um peptídeo chamado PYY, que normalmente inibe o apetite após o consumo de alimentos muito ricos.

Os pesquisadores agora planejam usar essa interface para estudar condições neurológicas que se acredita terem uma conexão intestino-cérebro. Por exemplo, estudos mostraram que crianças autistas são muito mais propensas do que seus pares a serem diagnosticadas com disfunção gastrointestinal, enquanto ansiedade e síndrome do intestino irritável compartilham riscos genéticos.

“Agora podemos começar a perguntar, são coincidências ou existe uma conexão entre o intestino e o cérebro? E talvez haja uma oportunidade para explorarmos esses circuitos intestinais para começar a administrar algumas dessas condições, manipulando os circuitos periféricos de uma forma que não 'toque' diretamente o cérebro e seja menos invasiva”, diz Anikeeva.

A pesquisa foi financiada, em parte, pelo Hock E. Tan e K. Lisa Yang Center for Autism Research e pelo K. Lisa Yang Brain-Body Center, pelo National Institute of Neurological Disorders and Stroke, pela National Science Foundation (NSF) Center for Materials Science and Engineering, o NSF Center for Neurotechnology, o National Center for Complementary and Integrative Health, um National Institutes of Health Director's Pioneer Award, o National Institute of Mental Health e o National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases.