Um aumento de dez vezes na precisão via dispersão

Pesquisadores da Universidade de Tsukuba alcançaram um avanço significativo ao empregar a dispersão, uma técnica originalmente usada para medir microestruturas semicondutoras, para a análise de neurônios. Ao incorporar o aprendizado de máquina, os pesquisadores aumentaram a precisão da análise estrutural com base nos padrões de difração da luz projetada nas amostras.

Esta nova abordagem oferece ganhos de mais de dez vezes em resolução e velocidade de medição em comparação com microscópios ópticos convencionais. A pesquisa está publicada na revista Ótica Expressa.

O cérebro consiste em numerosos neurônios, cada um atuando como uma unidade fundamental de processamento de informações. No entanto, as suas funções precisas permanecem apenas parcialmente compreendidas. Em particular, os mecanismos da memória continuam a ser um grande desafio não resolvido na neurociência, com os princípios subjacentes e as vias de processamento ainda em grande parte desconhecidas.

Uma estratégia para resolver este problema é medir a morfologia e a dinâmica estrutural interna de neurônios individuais de uma forma não invasiva e de alta resolução. A microscopia de fluorescência continua sendo uma das técnicas mais utilizadas para esse fim. Nesta abordagem, componentes específicos da amostra são marcados com um corante fluorescente, e a emissão resultante é observada após a amostra ser irradiada com luz de excitação. No entanto, este método tem várias limitações, incluindo a dificuldade de rotulagem, a biotoxicidade dos corantes e o longo tempo necessário para imagens de alta resolução.

A equipe de pesquisa desenvolveu um método para medição tridimensional rápida e precisa da estrutura fina dos neurônios. Em particular, eles aplicaram com sucesso a dispersão aos neurônios. Esta técnica não requer rotulagem e permite medições não destrutivas e sem contato, juntamente com análise direta de forma. O método reconstrói a estrutura original a partir do padrão de difração da luz projetada na amostra.

Ao contrário dos microscópios ópticos convencionais, que geram artefatos através da formação de imagens baseadas em lentes e são restritos por resolução limitada, a nova abordagem evita esses problemas. Como resultado, uma precisão de medição de 0,2 μm foi alcançada para uma célula com diâmetro de 2 μm.

Em princípio, também é possível determinar as posições das vesículas no interior da célula e detectar sinais elétricos emitidos pelos neurônios dentro de uma janela de tempo de 1 ms. A resolução espacial e a velocidade de medição foram melhoradas em mais de uma ordem de grandeza em comparação com os sistemas convencionais.

Embora a dispersometria tenha sido tradicionalmente aplicada na área de semicondutores, seu uso é limitado a objetos com estruturas periódicas. A equipe superou essa restrição desenvolvendo novas técnicas de medição, computacionais e analíticas. Além disso, uma vez que os neurônios têm formas relativamente bem definidas, este método recentemente desenvolvido é altamente aplicável e espera-se que contribua para uma compreensão mais profunda dos mecanismos relacionados à memória no cérebro.