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À medida que um rato explora o seu ambiente, milhões de neurónios no cérebro disparam em sincronia. Estudar apenas uma pequena subseção de cada vez seria perder a floresta por causa das árvores, mas microscópios poderosos capazes de capturar todo o cérebro do camundongo simultaneamente são pesados demais para serem montados em um camundongo em movimento.
Agora, um novo estudo em Engenharia Biomédica da Natureza apresenta uma solução inovadora para este problema: um microscópio que pesa apenas uma moeda de um centavo dos EUA, mas pode capturar amplas áreas da atividade cerebral com resolução sem precedentes. “A capacidade de observar o cérebro enquanto os ratos se envolvem em comportamentos naturais, tais como interações sociais e captura de presas, irá avançar a nossa compreensão de como a neuroatividade distribuída por todo o cérebro se relaciona com o comportamento naturalista”, diz Alipasha Vaziri, da Rockefeller, que liderou o estudo.
Microscopia do tamanho de um rato
Mamíferos maiores podem acomodar microscópios padrão montados na cabeça, e até mesmo ratos podem suportar tecnologia pesando cerca de 20 gramas, ou oito centavos americanos. No entanto, os ratos, que são os organismos modelo para compreender o funcionamento do cérebro, são muito menores. Os microscópios projetados para acomodá-los devem pesar menos de três gramas.
“Nos últimos anos, vimos uma explosão de microscópios montados em cabeçotes para ratos, mas eles normalmente suportam apenas campos de visão de imagem de algumas centenas de micrômetros em resolução celular, uma vez que a complexidade de design envolvida para campos de visão maiores vem com um custo insustentável. penalidade de peso”, diz Vaziri. Os modelos existentes que são leves o suficiente para serem transportados por ratos invariavelmente comprometem o campo de visão, a resolução e a faixa de profundidade do microscópio (ou uma combinação deles) e são propensos a artefatos induzidos por movimento.
As tentativas anteriores de superar esta limitação visavam fazer com que qualquer tecnologia já existente pesasse menos – trocando peças de metal por plástico, por exemplo, mantendo ao mesmo tempo o design óptico básico dos microscópios (especialmente aqueles capazes de gerar imagens de campos de visão aumentados) nos quais um pesado a lente constitui a maior parte do peso. Vaziri abordou este desafio no que chama de “uma abordagem baseada em princípios”. Em vez de tentar fazer um sistema complexo baseado em lentes pesar menos, ele esclareceu quais eram realmente os objetivos da tecnologia: resolver um problema de mapeamento de alta resolução entre pontos em um volume 3D da amostra para pontos na superfície 2D de uma câmera. Com isso em mente, ele decidiu criar um sistema leve que atendesse a esses objetivos, sem se sentir limitado pela necessidade de adaptação a um sistema baseado em lentes de preservação de imagem.
“Todo mundo estava usando essas lentes pesadas com vários elementos e tentando torná-las mais leves”, diz Vaziri. “Em vez de perguntar como tornar as lentes mais leves, resolvemos um problema inverso e contornámos a questão, desenvolvendo uma estratégia essencialmente sem lentes e libertando-nos das restrições desnecessárias da formação de imagens baseadas em lentes.”
Novo pensamento = nova abordagem
Insira elementos ópticos difrativos (DOEs). Ao contrário das lentes convencionais, que possuem uma superfície continuamente curvada para gerar uma curvatura esférica da frente da onda, as DOEs utilizam microestruturas para manipular a luz através da difração, permitindo o controle preciso das ondas de luz. Eles são compactos, leves e eficazes. Na microscopia, a função de uma lente tradicional é mapear os pontos no espaço de um objeto em um plano de imagem (como um sensor de câmera), garantindo que a imagem formada se assemelhe à cena real. No entanto, à medida que se tenta formar uma imagem com um campo de visão cada vez maior, mantendo a resolução, os erros (aberrações ópticas) causados por uma única lente necessitam de mais elementos de lente, resultando em um design de lente composto.
Usando DOEs, o laboratório Vaziri demonstrou que é possível mapear as posições entre a cena e o sensor com precisão, sem formar uma imagem, e então usar métodos computacionais para reconstruir a cena original.
Sem uma lente composta robusta para pesar, o minimicroscópio pesa apenas 2,5 gramas e fornece imagens que podem capturar amplas seções do cérebro do rato em um campo de visão de 3,6 x 3,6 mm² com resolução lateral de 4 μm e profundidade de campo de 300 μm e velocidade de gravação de 16 volumes por segundo. E a maioria de suas peças pode ser impressa em 3D ou usar sensores de câmera de celular baratos e de consumo. “Se os laboratórios estiverem interessados, poderão facilmente construir estes microscópios a baixo custo”, diz Vaziri.
Futuras iterações do minimicroscópio podem incluir transmissão de dados sem fio – o modelo atual vem com cabos que não atrapalham um único mouse, mas podem facilmente se enroscar ao observar vários ratos interagindo entre si – e um ajuste fino de a tecnologia para permitir a observação de áreas do cérebro localizadas mais profundamente no córtex.
“O sistema exige alguns sacrifícios e não tem desempenho tão alto quanto microscópios maiores”, diz Vaziri. “Mas esta é uma inovação fundamental e que só poderia ter surgido se trouxessemos novas ideias para o problema e nos libertássemos das restrições percebidas.”
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