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Estimulação magnética no cérebro controla movimentos corporais

Técnica poderia beneficiar mapeamento do cérebro e tratamento de doenças

Munshi et al./eLife
Seção do cérebro de um camundongo com nanopartículas magnéticas (destacadas em vermelho) cobrindo céulas marcadas no estriado.
Cientistas utilizaram magnetismo para ativar pequenos grupos de células no cérebro, induzindo movimentos corporais que incluem correr, girar e perder o controle das extremidades - uma conquista que poderia levar a avanços no estudo e tratamento de doenças neurológicas.

A técnica desenvolvida pelos pesquisadores é chamada de estimulação magneto-térmica. Isso dá aos cientistas uma poderosa ferramenta nova: uma forma remota e minimamente invasiva de desencadear atividades profundas dentro do cérebro, ativando e desativando células para estudar como essas mudanças afetam a psicologia.

“Agora, há muito trabalho sendo feito para mapear os circuitos neurais que controlam o comportamento e as emoções”, diz Arnd Pralle, principal pesquisador do estudo e professor de física da Faculdade de Artes e Ciências da Universidade de Buffalo (UB). “Como o computador da nossa mente está funcionando? A técnica que desenvolvemos poderia ajudar muito nesse trabalho.”

Entender como o cérebro funciona - como as diferentes partes do órgão se comunicam entre si e controlam o comportamento - é essencial no desenvolvimento de terapias para doenças que envolvam lesões ou mau funcionamento de grupos específicos de neurônios. Lesões cerebrais traumáticas, doenças de Parkinson, distonia e paralisia periférica entram nessa categoria.

Os avanços relatados pela equipe de Pralle também poderiam ajudar cientistas tentando tratar doenças como depressão e epilepsia diretamente através de estimulação cerebral.

O estudos, feito em camundongos, foi publicado no dia 15 de agosto na revista científica eLife. A equipe de Pralle incluiu os primeiros autores Rahul Munshi - doutorando em física na UB - e Shahnaz Qadri - pesquisador de pós-doutorado da UB -, juntamente com pesquisadores da UB, da Universidade Philipps de Marburg, na Alemanha, e da Universidade de Santiago de Compostela, na Espanha.

A estimulação magneto-térmica envolve o uso de nanopartículas magnéticas para estimular neurônios equipados com canais iônicos sensíveis à temperatura. As células cerebrais disparam quando as nanopartículas são aquecidas por um campos magnético externo, fazendo os canais se abrirem.

Marcando regiões cerebrais bastante específicas

Em camundongos, a equipe de Pralle teve sucesso em ativar três regiões distintas do cérebro para induzir funções motoras específicas.

O estímulo de células no córtex motor fez os animais correrem, enquanto o estímulo de células no estriado fez os animais se virarem. Quando os cientistas ativaram um região mais profunda do cérebro, os camundongos congelaram, incapazes de mover suas extremidades.

“Utilizando nosso métodos, podemos marcar um pequeno grupo de células, uma área com cerca de 100 micrômetros, que tem aproximadamente a largura de um fio de cabelo humano,” diz Pralle.

Como a estimulação magneto-térmica funciona

A estimulação magneto-térmica permite que os pesquisadores usem nanopartículas magnéticas aquecidas para ativar neurônios individuais dentro do cérebro.

Funciona assim: primeiramente, cientistas utilizam de engenharia genética para introduzir uma cadeia especial de DNA nos neurônios marcados, fazendo essas células produzirem um canal iônico ativado por calor. Depois, pesquisadores injetam nanopartículas magnéticas, especialmente produzidas, na mesma área do cérebro. Estas nanopartículas se prendem na superfície dos neurônios marcados, formando uma fina cobertura, como a casca de uma cebola.

Quando um campo magnético que se alterna é aplicado no cérebro, ele faz com que a magnetização das nanopartículas se altere rapidamente, gerando calor que aquece as células marcadas. Isso força os canais iônicos que são sensíveis a temperatura a se abrirem, estimulando os neurônios a dispararem.

As partículas usadas pelos pesquisadores no novo estudo consistiam de um núcleo de ferrita de cobalto cercado por uma concha de ferrita de manganês.

Um avanço em relação a outros métodos, como a optogenética

Pralle tem trabalhado há cerca de uma década para promover a estimulação magneto-térmica. Anteriormente, ele demonstrou a utilidade da técnica na ativação de neurônios em uma placa de Petri, e, depois, no controle comportamental de C. elegans, um pequeno nematoide.

Pralle diz que a estimulação magneto-térmica possui alguns benefícios em comparação a outros métodos de estimulação cerebral profunda.

Uma das técnicas mais conhecidas - a optogenética - usa luz em vez de magnetismo e calor para ativar as células. Contudo, a optogenética tipicamente exige a implantação de pequenos cabos de fibra óptica no cérebro, enquanto a estimulação magneto-térmica é feita remotamente, o que é menos invasivo, segundo Pralle. Ele acrescenta que mesmo após o cérebro dos camundongos ter sido estimulado diversas vezes, os neurônios marcados não mostraram sinais de dano.

O próximo passo na pesquisa é utilizar estimulação magneto-térmica para ativar - e silenciar - múltiplas regiões do cérebro ao mesmo tempo em camundongos. Pralle está trabalhando nesse projeto com Polina Anikeeva, pesquisadora do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, e com a Escola de Medicina de Harvard. A equipe possui um financiamento de US$3,5 milhões do Instituto Nacional de Saúde para conduzir esses estudos.

Universidade de Buffalo
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