Tanto para fins de pesquisa quanto médicos, pesquisadores passaram décadas expandindo os limites da microscopia para produzir imagens cada vez mais profundas e nítidas da atividade cerebral, não apenas no córtex, mas também em regiões abaixo dele, como o hipocampo. Em um novo estudo, uma equipe de cientistas e engenheiros do MIT demonstra um novo sistema de microscópio capaz de observar tecidos cerebrais excepcionalmente profundos para detectar a atividade molecular de células individuais usando o som.

“O principal avanço aqui é nos permitir obter imagens mais profundas com resolução de célula única”, afirma a neurocientista Mriganka Sur , autora correspondente, juntamente com o professor de engenharia mecânica Peter So e o principal pesquisador Brian Anthony . Sur é professora Paul e Lilah Newton no Instituto Picower para Aprendizagem e Memória e no Departamento de Ciências do Cérebro e Cognitivas do MIT.

No periódico Light: Science and Applications, a equipe demonstra que conseguiu detectar NAD(P)H, uma molécula fortemente associada ao metabolismo celular em geral e à atividade elétrica em neurônios em particular, em amostras como um "organoide cerebral" de 1,1 milímetro, um tecido 3D semelhante ao cérebro gerado a partir de células-tronco humanas e uma fatia de 0,7 milímetro de espessura de tecido cerebral de camundongo.

Na verdade, diz o coautor principal e pós-doutorado em engenharia mecânica W. David Lee, que concebeu o design inovador do microscópio, o sistema poderia ter olhado muito mais profundamente, mas as amostras de teste não eram grandes o suficiente para demonstrar isso.

"Foi aí que batemos no vidro do outro lado", diz ele. "Acho que estamos bem confiantes de que vamos mais fundo."

Ainda assim, uma profundidade de 1,1 milímetro é mais de cinco vezes maior do que outras tecnologias de microscópio conseguem detectar NAD(P)H em tecido cerebral denso. O novo sistema alcançou essa profundidade e nitidez combinando diversas tecnologias avançadas para excitar a molécula de forma precisa e eficiente e, em seguida, detectar a energia resultante, tudo isso sem a necessidade de adicionar marcadores externos, seja por meio de produtos químicos adicionais ou fluorescência geneticamente modificada.

Em vez de concentrar a energia de excitação necessária do NAD(P)H em um neurônio com luz ultravioleta próxima ao seu pico normal de absorção, o microscópio realiza a excitação focalizando uma rajada de luz intensa e extremamente curta (com duração de um quatrilionésimo de segundo) com três vezes o comprimento de onda de absorção normal. Essa excitação de "três fótons" penetra profundamente no tecido com menor espalhamento pelo tecido cerebral devido ao comprimento de onda mais longo da luz ("como faróis de neblina", diz Sur). Enquanto isso, embora a excitação produza um sinal fluorescente fraco de luz do NAD(P)H, a maior parte da energia absorvida produz uma expansão térmica localizada (cerca de 10 mícrons) dentro da célula, que produz ondas sonoras que viajam com relativa facilidade através do tecido em comparação com a emissão de fluorescência. Um microfone ultrassônico sensível no microscópio detecta essas ondas e, com dados sonoros suficientes, o software as transforma em imagens de alta resolução (muito parecido com um ultrassonograma). A imagem criada dessa maneira é chamada de "imagem fotoacústica de três fótons".

"Combinamos todas essas técnicas — detecção fotoacústica de três fótons, sem rótulos", diz o coautor principal Tatsuya Osaki, pesquisador do Instituto Picower no laboratório de Sur. "Integramos todas essas técnicas de ponta em um único processo para estabelecer esta plataforma 'Multiphoton-In e Acoustic-Out'."

Lee e Osaki se uniram ao cientista pesquisador Xiang Zhang e à pós-doutoranda Rebecca Zubajlo para liderar o estudo, no qual a equipe demonstrou a detecção confiável do sinal sonoro através das amostras. Até o momento, a equipe produziu imagens visuais do som em várias profundidades, à medida que aprimora o processamento do sinal.

No estudo, a equipe também demonstra imagens simultâneas de "geração de terceiro harmônico", que provêm da estimulação de três fótons e renderizam estruturas celulares com precisão, juntamente com imagens fotoacústicas, que detectam NAD(P)H. Eles também observam que seu método fotoacústico pode detectar outras moléculas, como o indicador de cálcio geneticamente codificado GCaMP, que neurocientistas usam para sinalizar a atividade elétrica neural.

Com o conceito de microscopia fotoacústica multifóton e sem rótulo (LF-MP-PAM) estabelecido no artigo, a equipe agora olha para a neurociência e aplicações clínicas.

Por exemplo, por meio da empresa Precision Healing, Inc. , que ele fundou e vendeu, Lee já demonstrou que a imagem de NAD(P)H pode auxiliar no tratamento de feridas. No cérebro, sabe-se que os níveis da molécula variam em condições como Alzheimer, síndrome de Rett e convulsões, tornando-a um biomarcador potencialmente valioso. Como o novo sistema não requer rótulos (ou seja, sem adição de produtos químicos ou genes alterados), ele poderia ser usado em humanos, por exemplo, durante cirurgias cerebrais.

O próximo passo da equipe é demonstrar isso em um animal vivo, em vez de apenas em tecidos in vitro e ex vivo. O desafio técnico é que o microfone não pode mais ficar no lado oposto da amostra em relação à fonte de luz (como no estudo atual). Ele precisa ficar na parte superior, assim como a fonte de luz.

Lee diz que espera que a obtenção de imagens completas em profundidades de 2 milímetros em cérebros vivos seja totalmente viável, dados os resultados do novo estudo.

“Em princípio, deveria funcionar”, diz ele.

Mercedes Balcells e Elazer Edelman também são autores do artigo. O financiamento para a pesquisa veio de fontes como os Institutos Nacionais de Saúde, o Centro Simon para o Cérebro Social, o laboratório de Peter So, o Instituto Picower para Aprendizagem e Memória e a Fundação Freedom Together.