Para entender as enormes capacidades e complexidades do cérebro, os neurocientistas o segmentam em regiaµes com base no que parecem fazer - como processar o que sentimos ou como nos mover. O que estãofaltando, no entanto, éa 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 regia£o atravanãs do cortex atéo 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 Neurociaªncia em The Instituto Picower de Aprendizagem e Mema³ria e do Departamento de Ciências do Canãrebro e Cognitivas do MIT.

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

“Ha¡ algo profundo na maneira como a visão érepresentada e criada nos cérebros dos mama­feros”, diz Sur. “De onde vão essas áreas, o que significam e o que fazem? Nãofoi fa¡cil entender como eles diferem. O fundamental émapear 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 pa³s-doutorado Murat Yildirim liderou o estudo publicado na Biomedical Optics Express. Nele, ele descreve como a equipe de pesquisa combinou um manãtodo de mapear áreas funcionais - mapeamento retinota³pico - com informações estruturais profundas medidas por uma tecnologia que ele ajudou a criar - microscopia de três fa³tons de geração de terceiro harma´nico (THG).

No mapeamento retinota³pico, os pesquisadores podem identificar regiaµes funcionais projetando neura´nios para piscar quando se tornam eletricamente ativos (e mostram alterações no ca¡lcio) em resposta a um esta­mulo especa­fico. Por exemplo, os cientistas poderiam mostrar a um camundongo um padrãomovendo-se pela tela e marcar onde os neura´nios se iluminam, com cada área mostrando um local caractera­stico e um padrãode resposta.

A microscopia de três fa³tons pode resolver com precisão células individuais e suas subestruturas menores com uma profundidade de um mila­metro ou mais - o suficiente para ver todo o cortex. Enquanto isso, o THG adiciona a capacidade de resolver com precisão os vasos sangua­neos e as fibras de um material chamado mielina, que envolve os longos axa´nios tendinosos de muitos neura´nios. O THG não exige a adição de corantes ou produtos químicos de rotulagem.

Crucialmente, o THG produz uma importante medida a³tica chamada comprimento efetivo de atenuação (EAL), que éuma medida de quanto a luz éabsorvida ou espalhada conforme se move atravanãs do tecido. No estudo, Yildirim e co-autores mostram que o EAL depende especificamente da arquitetura única de células, vasos sangua­neos e mielina de cada regia£o. Eles mediram o EAL em cada uma das seis regiaµes funcionais visuais e mostraram que o EAL diferia significativamente entre as áreas visuais vizinhas, fornecendo uma espanãcie de assinatura estrutural para cada área funcional. Suas medições eram tão precisas, de fato, que podiam mostrar como o EAL variava dentro das regiaµes funcionais, sendo mais exclusivo em direção ao meio e se misturando mais aos valores de regiaµes vizinhas em direção a s fronteiras.

Em outras palavras, ao combinar o mapeamento retinota³pico com a microscopia de três fa³tons THG, Yildirim disse, os cientistas podem identificar regiaµes 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 esperana§a de realocar essas mesmas posições exatas em seções do cérebro preservadas posteriormente.

“Gostara­amos de combinar a força do mapeamento retinota³pico com a imagem de três fa³tons para obter mais informações estruturais”, diz Yildirim. “Caso contra¡rio, pode haver algumas discrepa¢ncias quando vocêfaz a imagem ao vivo da atividade cerebral, mas, em seguida, retira o tecido, mancha-o e tenta encontrar a mesma regia£o.”

Especialmente a  medida que a microscopia de três fa³tons ganha maior adoção e as velocidades de imagem melhoram - agora, a imagem de uma coluna de cortex com um mila­metro de profundidade leva cerca de 15 minutos, os autores reconhecem - a equipe espera que seu novo manãtodo possa ser usado não apenas para estudos de sistema visual, mas também em todas as regiaµes ao redor do cortex. Além disso, pode ajudar a caracterizar os estados de doena§a, bem como a estrutura e função do cérebro sauda¡vel.

“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.