Tecnologia Científica

Método de imagem ao vivo traz estrutura para mapear a função cerebral
Os cientistas distinguem as regiões do cérebro com base no que fazem, mas agora têm uma nova maneira de sobrepor informações sobre como são construídas.
Por David Orenstein - 24/09/2020


Um emaranhado distinto de vasos e fibras de mielina (que envolvem as longas extensões de muitos neurônios) são evidentes em cada uma das seis regiões de processamento visual codificadas por cores no córtex de um camundongo. As colunas são formadas pelo empilhamento de imagens obtidas em incrementos de 5 mícrons por um milímetro de profundidade em cada uma das regiões. Créditos:Imagem: Murat Yildirim / Sur Lab

Para entender as enormes capacidades e complexidades do cérebro, os neurocientistas o segmentam em regiões com base no que parecem fazer - como processar o que sentimos ou como nos mover. O que está faltando, no entanto, é a capacidade de amarrar esses mapas funcionais de forma precisa e consistente para combinar distinções de estrutura física, especialmente em animais vivos enquanto eles executam as funções de interesse. Em um novo estudo, os pesquisadores do MIT demonstram uma nova maneira de fazer isso, fornecendo um emparelhamento sem precedentes de mapeamento funcional em camundongos vivos com informações estruturais distintas para cada região através do córtex até o tecido mais profundo abaixo.

“Nosso estudo mostra pela primeira vez que o acoplamento estrutural e funcional de áreas visuais no cérebro do camundongo pode ser detectado em resolução subcelular in vivo”, escreveram os autores baseados no laboratório de Mriganka Sur, o professor Newton de Neurociência em The Instituto Picower de Aprendizagem e Memória e do Departamento de Ciências do Cérebro e Cognitivas do MIT.

A técnica pode dar aos cientistas maneiras mais precisas de distinguir as fronteiras e os conteúdos das regiões que desejam estudar e pode ajudá-los a compreender melhor a maneira como as distinções estruturais se desenvolvem nos indivíduos em diferentes regiões funcionais ao longo do tempo. O laboratório de Sur, por exemplo, está intensamente interessado em compreender o desenvolvimento especialmente complexo da visão. Os humanos têm cerca de 35 regiões funcionais distintas que contribuem para o processamento da visão, observa Sur, e até os ratos têm 10.

“Há algo profundo na maneira como a visão é representada e criada nos cérebros dos mamíferos”, diz Sur. “De onde vêm essas áreas, o que significam e o que fazem? Não foi fácil entender como eles diferem. O fundamental é mapear com precisão ou combinar a representação funcional de cada área com sua singularidade anatômica. ”

Para desenvolver ferramentas que ajudem a responder a essas perguntas, o pós-doutorado Murat Yildirim liderou o estudo publicado na Biomedical Optics Express. Nele, ele descreve como a equipe de pesquisa combinou um método de mapear áreas funcionais - mapeamento retinotópico - com informações estruturais profundas medidas por uma tecnologia que ele ajudou a criar - microscopia de três fótons de geração de terceiro harmônico (THG).

No mapeamento retinotópico, os pesquisadores podem identificar regiões funcionais projetando neurônios para piscar quando se tornam eletricamente ativos (e mostram alterações no cálcio) em resposta a um estímulo específico. Por exemplo, os cientistas poderiam mostrar a um camundongo um padrão movendo-se pela tela e marcar onde os neurônios se iluminam, com cada área mostrando um local característico e um padrão de resposta.

“Gostaríamos de combinar a força do mapeamento retinotópico com a imagem de três fótons para obter mais informações estruturais”, diz Yildirim. “Caso contrário, pode haver algumas discrepâncias quando você faz a imagem ao vivo da atividade cerebral, mas, em seguida, retira o tecido, mancha-o e tenta encontrar a mesma região.”


A microscopia de três fótons pode resolver com precisão células individuais e suas subestruturas menores com uma profundidade de um milímetro ou mais - o suficiente para ver todo o córtex. Enquanto isso, o THG adiciona a capacidade de resolver com precisão os vasos sanguíneos e as fibras de um material chamado mielina, que envolve os longos axônios tendinosos de muitos neurônios. O THG não exige a adição de corantes ou produtos químicos de rotulagem.

Crucialmente, o THG produz uma importante medida ótica chamada comprimento efetivo de atenuação (EAL), que é uma medida de quanto a luz é absorvida ou espalhada conforme se move através do tecido. No estudo, Yildirim e co-autores mostram que o EAL depende especificamente da arquitetura única de células, vasos sanguíneos e mielina de cada região. Eles mediram o EAL em cada uma das seis regiões funcionais visuais e mostraram que o EAL diferia significativamente entre as áreas visuais vizinhas, fornecendo uma espécie de assinatura estrutural para cada área funcional. Suas medições eram tão precisas, de fato, que podiam mostrar como o EAL variava dentro das regiões funcionais, sendo mais exclusivo em direção ao meio e se misturando mais aos valores de regiões vizinhas em direção às fronteiras.

Em outras palavras, ao combinar o mapeamento retinotópico com a microscopia de três fótons THG, Yildirim disse, os cientistas podem identificar regiões distintas por sua função e estrutura, enquanto continuam a trabalhar com animais em experimentos vivos. Isso pode produzir resultados mais precisos e rápidos do que fazer observações durante o comportamento e, em seguida, dissecar o tecido na esperança de realocar essas mesmas posições exatas em seções do cérebro preservadas posteriormente.

“Gostaríamos de combinar a força do mapeamento retinotópico com a imagem de três fótons para obter mais informações estruturais”, diz Yildirim. “Caso contrário, pode haver algumas discrepâncias quando você faz a imagem ao vivo da atividade cerebral, mas, em seguida, retira o tecido, mancha-o e tenta encontrar a mesma região.”

Especialmente à medida que a microscopia de três fótons ganha maior adoção e as velocidades de imagem melhoram - agora, a imagem de uma coluna de córtex com um milímetro de profundidade leva cerca de 15 minutos, os autores reconhecem - a equipe espera que seu novo método possa ser usado não apenas para estudos de sistema visual, mas também em todas as regiões ao redor do córtex. Além disso, pode ajudar a caracterizar os estados de doença, bem como a estrutura e função do cérebro saudável.

“Esse avanço deve permitir estudos semelhantes de acoplamento estrutural e funcional em outras áreas corticais sensoriais e não sensoriais no cérebro de ratos e outros modelos animais”, escreveram eles. “Acreditamos que a correlação estrutural e funcional em áreas visuais que descrevemos pela primeira vez aponta para mecanismos de desenvolvimento cruciais que configuram essas áreas, portanto, nosso trabalho levaria a uma melhor compreensão fundamental do desenvolvimento do cérebro e de doenças como o Alzheimer , derrame e envelhecimento ”.

Além de Yildirim e Sur, os outros autores do artigo são Ming Hu, Nhat Le, Hiroki Sugihara e Peter So.

O National Institutes of Health, a National Science Foundation, a JPB Foundation e a Massachusetts Life Sciences Initiative forneceram fundos para o estudo.

 

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