Microscópio de Dois Fótons Permite que Pesquisadores Monitorem a Atividade Cerebral em Tempo Real

Monitorar a atividade cerebral tem sido um componente central da neurociência desde que a capacidade surgiu. O cérebro humano é menos compreendido que o universo e os oceanos. Por isso, há um enorme esforço para desvendar os mistérios que residem em sua mente. Agora, os pesquisadores podem aprofundar‑se na atividade mental em tempo real usando um método revolucionário de microscópio de fluorescência de dois fótons. Veja o que você precisa saber.

Compreender a atividade cerebral é crucial para muitas indústrias, incluindo o tratamento de doenças neurológicas como o Alzheimer. Os cientistas dedicaram considerável esforço para desvendar como os neurônios se comunicam e interagem durante o pensamento. O objetivo desta pesquisa é entender plenamente as interações neurais complexas até a resolução celular.

Métodos Atuais de Registro da Atividade Cerebral

Existem vários métodos de registro da atividade cerebral em uso hoje. Essas abordagens ajudaram a indústria a se desenvolver até o momento. No entanto, apresentam desvantagens significativas, como maior tempo para monitorar a atividade, potencial de causar danos ao paciente e alto custo. Os dois métodos mais comuns atualmente são a Ressonância Magnética Funcional (fMRI) e a Eletroencefalografia (EEG).

Ressonância Magnética Funcional (fMRI)

A Ressonância Magnética Funcional é um dos métodos mais avançados usados para monitorar ondas cerebrais hoje. Este procedimento não invasivo integra campos magnéticos e ondas de rádio para criar uma imagem 3D dos pulsos eletromagnéticos do seu cérebro. Essa estratégia representou uma grande melhoria em relação às opções anteriores, pois permitiu que os pesquisadores ampliem um conjunto específico de neurônios, aprimorando significativamente sua compreensão geral da atividade cerebral.

Eletroencefalografia (EEG)

Outro método que você pode ter visto em filmes é a Eletroencefalografia. Essa abordagem mede a atividade elétrica do seu cérebro. Os pacientes precisam colocar sensores especiais no couro cabeludo que são sensíveis às correntes elétricas. Esse método de rastreamento das ondas cerebrais tem sido usado desde 1975, quando Richard Caton o utilizou pela primeira vez para monitorar os pulsos elétricos encontrados nos cérebros de coelhos e macacos com sucesso.

Desde então, esse método de registro da atividade cerebral melhorou significativamente. Na década de 1950, foi introduzida a primeira iteração moderna do EEG. Ele serviu fielmente como o método principal de rastreamento das ondas cerebrais até a década de 1980. Em 1988, foi usado para permitir que uma pessoa controlasse um robô e ainda é utilizado por muitos pesquisadores.

Estudo

O estudo “Microscopia de dois fótons de alta velocidade com excitação adaptativa por linha” foi publicado na Optica revelando como a microscopia de dois fótons pode fornecer imagens de alta velocidade incomparáveis da atividade neural. Essas fotos foram feitas com resolução celular usando um microscópio de fluorescência de dois fótons projetado especificamente.

Microscópio de Fluorescência de Dois Fótons

O microscópio de fluorescência de dois fótons é capaz de fornecer imagens vibrantes em profundidade no tecido cerebral. Para realizar essa tarefa, o mecanismo introduz uma estrutura de amostragem adaptativa. Essa estrutura seria repetida ao longo do experimento para criar imagens 3D dinâmicas e mapas da atividade cerebral.

Estratégia de Amostragem Adaptativa

No cerne do estudo está a introdução da estratégia de amostragem adaptativa. Esse método substitui as técnicas tradicionais de iluminação pontual. Em vez disso, uma estratégia de iluminação por linha mais eficaz é empregada juntamente com um método de varredura pontual atualizado que oferece muito mais detalhes e capacidades de monitoramento em comparação com os métodos anteriores.

Varredura Pontual

A varredura pontual nos métodos antigos deixava a desejar. Por um lado, era extremamente específica, o que frequentemente levava à incapacidade de rastrear toda a sequência de neurônios pelo cérebro. O novo método de varredura pontual usa uma estratégia de iluminação por linha alterada para imitar métodos de varredura pontual de alta resolução. Essa estratégia é crucial para identificar quais áreas do cérebro precisam avançar para a próxima etapa do processo, a varredura por linha.

Iluminação por Linha

A iluminação por linha é uma inovação para engenheiros de neurologia. O método projeta uma pequena linha de luz sobre uma área amostrada. Essa abordagem excita a fluorescência, facilitando o rastreamento dos sinais neurológicos pelo cérebro do início ao fim. Além disso, essa abordagem permite que uma área muito maior do cérebro seja excitada, escaneada e mapeada em tempo real.

Teste do Microscópio de Dois Fótons

A fase de teste do microscópio de fluorescência de dois fótons envolveu dois ratos de laboratório, nos quais os pesquisadores puderam rastrear a atividade neuronal no córtex de um rato em tempo real. Notavelmente, a unidade pode capturar sinais de imagem de até 198 Hz atualmente. Neste teste, os engenheiros rastrearam sinais de cálcio que podem indicar atividade neural recente.

Dispositivo Digital de Micromirror (DMD)

Para realizar essa tarefa, um padrão de feixe laser especialmente configurado é formado usando um dispositivo digital de micromirror (DMD). Esta unidade contém milhares de espelhos microscópicos. Cada um desses espelhos possui controles individuais que permitem moldar e direcionar a luz para partes precisas do cérebro. Além disso, os espelhos podem ser configurados para ativar e desativar com base na atividade neural, possibilitando melhor imageamento em todos os estados cerebrais.

fonte – Molly M Bechtel, University of California, Davis

Resultados do Teste do Microscópio de Fluorescência de Dois Fótons

Os resultados dos testes geraram alguns dados inesperados que têm potencial para melhorar os métodos atuais e revolucionar a indústria. Por um lado, o estudo revelou como o microscópio de fluorescência de dois fótons oferece uma compreensão incomparável do funcionamento interno do cérebro. A capacidade de criar imagens de alta velocidade usando excitação por linha curta e o esquema de amostragem adaptativa abre portas para muitas aplicações futuras.

Os pesquisadores descobriram que o novo método lhes permitiu monitorar neurônios individuais em um nível nunca antes possível. Esses novos dados servirão para criar algoritmos computacionais avançados que, um dia, ajudarão neurologistas a isolar e compreender melhor o uso de neurônios individuais.

Benefícios

Este estudo traz uma longa lista de benefícios ao mercado. Por um lado, esse estilo de imagem cerebral permite que os pesquisadores compreendam a arquitetura funcional do cérebro de maneiras antes inimagináveis. Eles agora podem ver como certas células cerebrais interagem e se comunicam durante processos específicos.

Tratamento de Doenças Neurológicas

Essa compreensão pode ser fundamental no combate ao aumento de doenças neurológicas como Alzheimer e Parkinson. Ambas as enfermidades tiram a vida de centenas de milhares de pessoas anualmente. Nos EUA, aproximadamente +120 mil pessoas morrem apenas de Alzheimer. Infelizmente, esse número deve subir para 13,8 milhões globalmente até 2060.

Compreender como o cérebro funciona nesses estados em comparação com quando está saudável pode permitir que engenheiros preencham essa lacuna e devolvam ao cérebro suas funções originais. Por enquanto, os dados têm um valor imenso para desvendar os muitos segredos necessários para tornar esse tipo de tratamento uma realidade.

Aprendizado

Outra razão importante pela qual monitorar a atividade cerebral é crucial para o futuro de uma nação é que isso pode ser usado para aprimorar o aprendizado. Compreender o que faz uma memória permanecer ou como recordar itens mais rapidamente são apenas algumas áreas de interesse que esse estilo de monitoramento cerebral poderia melhorar. No futuro, os currículos escolares poderiam ser baseados na retenção neural em vez dos inúmeros padrões atuais.

Imagens Mais Rápidas

Usar os métodos antigos para medir a atividade neurológica era eficaz, mas demorado. Eles também não forneciam imagens rápidas o suficiente para dar aos pesquisadores os detalhes necessários para uma compreensão complexa das ações mentais. Este novo método é 10 vezes mais rápido que a microscopia tradicional de dois fótons, permitindo que os pesquisadores monitorem e rastreiem fenômenos mentais que os sistemas mais antigos não conseguiam registrar.

Menos Danos

O desempenho mais rápido equivale a menor exposição dos pacientes. Além disso, o sistema requer lasers menos potentes. Ao reduzir a potência do laser e encurtar a exposição, os pacientes recebem muito menos radiação energética depositada no tecido cerebral. O novo sistema ilumina apenas os neurônios em questão, reduzindo o risco de danos ao tecido sensível.

Menos Custos

A redução de custos é outro benefício que a nova abordagem traz. Segundo o estudo, o microscópio de fluorescência de dois fótons requer 10 vezes menos potência de laser em comparação com os métodos tradicionais de dois fótons. Essa diminuição de energia resulta em maior sustentabilidade e menor impacto ambiental.

Expansível

Uma das maiores vantagens da nova técnica é que ela pode ser combinada com outros métodos eficazes de forma integrada. Já, os pesquisadores declararam planos de acoplar o dispositivo a outros procedimentos, como multiplexação de feixe e focalização remota. Essas técnicas aumentam a velocidade de imageamento e permitem a criação de imagens volumétricas 3D em tempo real.

Pesquisadores

Este estudo foi conduzido na Universidade da Califórnia, Davis, com Yunyang Li como autor principal. A equipe de pesquisa incluiu Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guo e Weijian Yang. O financiamento do projeto veio de várias fontes, incluindo o Burroughs Wellcome Fund, a National Science Foundation, o National Institute of Neurological Disorders and Stroke e o National Eye Institute.

Duas Empresas que Podem Prosperar com esta Pesquisa

Muitos fabricantes poderiam integrar essa tecnologia em suas ofertas para proporcionar um nível superior de serviço ao mercado. Desde empresas que buscam aliviar a demência até firmas de robótica, há inúmeras razões para que explorar a atividade cerebral e compreendê‑la faça sentido. Aqui estão duas empresas que estão posicionadas para adotar essa tecnologia nos próximos meses.

1. BrainChip Holdings Ltd

A BrainChip Holdings Ltd (BRN.AX ) é um simulador de software de rede cerebral popular. A empresa entrou no mercado em 2004 e tem sede na Austrália. Seu fundador, Peter Van Der Made, tem sido fundamental para manter os esforços pioneiros da empresa focados na integração de inteligência artificial (IA) avançada e aprendizado de máquina (ML) para melhorar seus resultados.

Hoje, a empresa oferece uma variedade de produtos, incluindo uma infraestrutura de IoT modelada após a rede neural do cérebro. Outro produto popular que ajudou a BrainChip a ganhar notoriedade é o Akita Development Environment, que permite aos desenvolvedores criar, treinar e testar redes neurais experimentais.

A BrainChip Holdings tem enfrentado algumas desvantagens desde 2023. No entanto, o software mais recente da empresa e seus empreendimentos nos setores de IA e ML reacenderam o interesse dos investidores. Assim, a BrainChip Holdings Ltd é vista como tendo um forte potencial de valorização.

2. Biogen

A Biogen é uma empresa de pesquisa farmacêutica que tem causado impacto no mercado recentemente. O fabricante com sede em Massachusetts especializa‑se no tratamento e cuidado de doenças neurológicas. Atualmente, possui produtos que ajudam a tratar doenças neurológicas, neurodegenerativas e autoimunes.

A Biogen tem recebido críticas por acelerar alguns de seus tratamentos, mas isso não diminuiu a ascensão da empresa à proeminência no mercado. Seu lançamento mais recente, Leqembi, foi aprovado pela FDA em regime de fast‑track e foi desenvolvido para tratar a doença de Alzheimer. A empresa viu o uso de seu último medicamento quase triplicar no último ano, o que ajudou a firmar uma posição de mercado mais forte. Assim, a exposição precoce da Biogen ao mercado de tratamento do Alzheimer e sua combinação de ofertas a tornam uma potencial compra forte para investidores.

Microscópio de Dois Fótons Oferece um Vislumbre do Futuro

O microscópio de fluorescência de dois fótons leva a humanidade um passo mais perto de ser capaz de interagir com o ambiente usando apenas o pensamento. Esta equipe de pesquisa inovadora ultrapassou os limites da pesquisa neurológica e surgiu com uma compreensão inédita da atividade cerebral humana. Essa pesquisa certamente gerará estudos adicionais que poderão, um dia, levar a menos doenças neurológicas e a muitos outros avanços.

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