Fibra fina como um fio de cabelo pode controlar milhares de neurônios cerebrais simultaneamente

A tecnologia de fibra óptica revolucionou a indústria das telecomunicações e poderá em breve fazer o mesmo com a investigação do cérebro.

Um grupo de pesquisadores da Universidade de Washington em St. Louis, tanto na McKelvey School of Engineering quanto na WashU Medicine, criou um novo tipo de dispositivo de fibra óptica para manipular a atividade neural nas profundezas do cérebro. O dispositivo, denominado fibra PRIME (Panoramically Reconfigurable IlluMinativE), fornece estimulação óptica reconfigurável em vários locais por meio de um único implante da espessura de um fio de cabelo.

“Ao combinar técnicas baseadas em fibras com optogenética, podemos alcançar estimulação cerebral profunda em escala sem precedentes”, disse Song Hu, professor de engenharia biomédica na McKelvey Engineering, que colaborou com o laboratório de Adam Kepecs, professor de neurociência e de psiquiatria na WashU Medicine.

As fibras ópticas alimentam o campo da optogenética usando canais iônicos sensíveis à luz para controlar os neurônios nas profundezas do cérebro, ligando ou desligando as células. Mas as fibras convencionais têm limites: uma única fibra pode fornecer luz para apenas um destino.

Para compreender circuitos cerebrais complexos, os investigadores precisam de fornecer luz a centenas, senão milhares, de pontos diferentes no cérebro, e é demasiado invasivo adicionar mil fibras ópticas para realizar essa tarefa.

Mas e se essa única fibra pudesse direcionar a luz em mil direções diferentes, como uma bola de discoteca controlável no cérebro?

Foi precisamente isso que o grupo se propôs alcançar. A equipe de Hu, incluindo o pesquisador de pós-doutorado e primeiro autor Shuo Yang, que liderou o desenvolvimento da tecnologia PRIME, usou microfabricação 3D a laser ultrarrápido para inscrever milhares de emissores de luz (atuando como espelhos) em uma fibra da largura de um cabelo humano. Enquanto isso, a equipe de Kepecs, incluindo o estudante de graduação e co-autor Keran Yang e o cientista sênior de pós-doutorado Quentin Chevy, validou a tecnologia estudando sua técnica de modulação neural em modelos animais de comportamento livre.

Esses resultados, publicados em Neurociência da Naturezarepresentam uma inovação em neurotecnologia e um avanço na fabricação.

“Estamos esculpindo emissores de luz muito pequenos em pedaços muito pequenos”, disse Shuo Yang. “Muito pequenos, ou seja, espelhos minúsculos que têm 1/100 do tamanho de um fio de cabelo humano.”

A fibra PRIME conecta a luz aos neurônios em diferentes regiões do cérebro. Em estudos de prova de conceito em modelos animais, Keran Yang usou o PRIME para impulsionar a atividade em sub-regiões do colículo superior, um centro para a transformação sensório-motora, e induziu sistematicamente o comportamento de congelamento ou fuga, dependendo do padrão de luz reconfigurável.

“Esse tipo de ferramenta nos permite fazer perguntas que antes eram impossíveis”, disse Keran Yang. “Ao moldar com precisão a luz no espaço e no tempo, podemos começar a ver como os circuitos vizinhos interagem e como os padrões de atividade no cérebro dão origem ao comportamento.”

“Este dispositivo expande significativamente o que é possível vincular experimentalmente a atividade neural distribuída à percepção e à ação”, acrescentou Kepecs. “Isso traz um novo nível de acesso para sondar funções de circuitos neurais.”

Olhando para o futuro, o grupo pretende estender o PRIME para uma interface bidirecional, combinando optogenética com fotometria para permitir que os pesquisadores estimulem e registrem a atividade cerebral ao mesmo tempo.

“Este é apenas o começo de uma jornada emocionante”, disse Hu. “Nosso objetivo final é tornar o PRIME sem fio e vestível. Quanto menos complicada for a ferramenta, mais naturais serão os dados que eles podem obter de assuntos que se comportam livremente e que não estão presos em fios.”