.
É um mistério como os pensamentos e sonhos humanos emergem de pulsos elétricos nas cerca de 100 trilhões de sinapses do cérebro, e o neuroengenheiro da Rice University, Chong Xie, sonha em mudar isso criando um sistema que possa registrar toda a atividade elétrica em um cérebro vivo.
Em um estudo recentemente publicado em Engenharia Biomédica da NaturezaXie e colegas descreveram sua mais recente conquista em direção a esse objetivo, uma matriz de eletrodos 3D que lhes permite mapear os locais e a atividade de até 1 milhão de ligações sinápticas potenciais em um cérebro vivo com base em gravações da evolução em escala de milissegundos de pulsos elétricos em dezenas de milhares de neurônios em um milímetro cúbico de tecido cerebral.
“O que é novo neste trabalho é a densidade de gravação”, disse Xie, professor associado de engenharia elétrica e de computação da Rice e membro central da Rice Neuroengineering Initiative. “Microcircuitos no cérebro são muito misteriosos. Não temos muitas maneiras de mapear sua atividade, especialmente volumetricamente. Queremos fornecer gravações muito densas do córtex porque são importantes, cientificamente, para entender como funcionam os circuitos cerebrais.”
Xie colaborou no estudo com colegas da Rice e da Universidade da Califórnia, em San Francisco, incluindo Loren Frank da UCSF e o autor co-correspondente Lan Luan da Rice.
Os neurônios são pequenos. Cada milímetro cúbico de tecido cerebral contém cerca de 100.000. Essa densidade é aproximadamente a mesma para humanos e outros mamíferos, incluindo os roedores que são objeto de experimentos no laboratório de Xie. O poder de processamento do cérebro surge das conexões sinápticas entre os neurônios. Os pares de neurônios ligados sinapticamente são conectados por pontes estreitas de tecido chamadas axônios, que têm apenas alguns milionésimos de metro de diâmetro.
A equipe de Xie passou anos desenvolvendo um material chamado fio nanoeletrônico (NET) que é fino, ultraflexível e biocompatível, um trio de propriedades para fazer implantes de eletrodos minimamente invasivos. Em estudos anteriores, a equipe de Xie demonstrou técnicas para implantar matrizes NET compactas de até 128 eletrodos. Os pesquisadores também mostraram que suas matrizes podem permanecer no local por até 10 meses, registrando os picos pulsados de eletricidade, ou potenciais de ação, em neurônios próximos.
“Quando os neurônios disparam potenciais de ação, há sinais elétricos muito fracos saindo deles”, disse Xie. “Você tem que colocar os eletrodos muito perto de cada neurônio para capturar esse sinal. Normalmente, isso significa uma distância inferior a 100 mícrons.”
O uso de eletrodos para registrar picos neuronais tem sido uma técnica primária em neurociência há décadas, mas a evolução dos materiais dos eletrodos transformou gradualmente a implantação de eletrodos neurais de procedimentos altamente invasivos que danificavam o próprio tecido cerebral que os eletrodos deveriam medir em procedimentos que resultam em nenhum dano tecidual mensurável.
Um dos principais focos do laboratório de Xie é aumentar o tamanho de suas matrizes de implantes. No novo estudo, Xie e colegas, incluindo Hanlin Zhu, um dos principais alunos de pós-graduação do projeto, implantaram matrizes de 1.024 eletrodos NET em um volume de 1 milímetro cúbico de tecido cerebral.
“Os sinais primários que tentamos medir são os picos elétricos vindos dos neurônios”, disse Xie. “É assim que eles se comunicam. E uma coisa com a qual nos preocupamos muito e realmente queremos entender é como os neurônios estão conectados.”
Xie disse que não há uma maneira direta de sondar conexões sinápticas
“Os axônios podem ser muito longos e cada neurônio pode ser conectado por muitos milhares de outros”, disse ele. “É uma rede muito, muito, muito confusa. E sondar isso é uma tarefa extremamente desafiadora, especialmente enquanto o cérebro está funcionando.”
A densidade da nova matriz de eletrodos, juntamente com sua capacidade de capturar mudanças milissegundo a milissegundo nos picos elétricos de neurônios individuais, permitiu que Xie e co-autores decifrassem possíveis ligações sinápticas entre pares de neurônios.
“Quando a sinapse funciona, você geralmente vê um padrão típico quando observa a atividade de disparo dos dois neurônios”, disse Xie.
Leva um pouco de tempo para que o impulso elétrico que começa nos neurônios pré-sinápticos se propague pelo axônio e ative o neurônio pós-sináptico, disse ele.
“Gravamos muitos, muitos picos, e então precisamos classificar os picos e atribuir cada um deles a neurônios individuais”, disse ele. “Nós sabemos a localização de cada eletrodo, ou canal. E cada canal registra não mais do que alguns neurônios de cada vez. Cada neurônio também é normalmente registrado por mais de um contato. Então, você pode fazer algo semelhante à triangulação para identificar a localização de neurônios individuais.”
Uma vez mapeados os neurônios, é relativamente fácil calcular a distância entre eles e, a partir disso, o tempo de propagação para ativação sináptica.
A matriz de 1.024 eletrodos deu à equipe de Xie uma proporção de aproximadamente um eletrodo por 100 neurônios no volume de milímetro cúbico de tecido cerebral em estudo. O laboratório está trabalhando para criar matrizes mais densas que embalem mais eletrodos no mesmo volume.
A grande maioria dos neurônios no cérebro das pessoas não é utilizada, apesar do fato de que nossos cérebros normalmente consomem tanta energia quanto pode ser fornecida pelo corpo. Os neurocientistas não entendem completamente por que o cérebro tem tantos neurônios não utilizados, e Xie disse que esse é um fator que sua equipe considera no projeto de seus conjuntos de eletrodos.
“Quero capturar o máximo de interatividade possível”, disse ele. “Eu diria que não precisamos de uma proporção de eletrodos para neurônios de 1 para 1 para capturar tudo isso, e é realmente meu sonho capturar toda a interatividade”.
A pesquisa foi apoiada pelo National Institute of Neurological Disorders and Stroke (R01NS102917, U01NS115588, R01NS109361, UF1NS107667), National Heart, Lung and Blood Institute (K25HL140153), Welch Foundation (F-1941-20170325) e Howard Hughes Medical Instituto.
.
