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Fraldas de bebê inspiraram nova forma de estudar o cérebro

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O neuroengenheiro Ed Boyden quer saber como as minúsculas biomoléculas do nosso cérebro produzem emoções, pensamentos e sentimentos e, dessa...

O neuroengenheiro Ed Boyden quer saber como as minúsculas biomoléculas do nosso cérebro produzem emoções, pensamentos e sentimentos e, dessa forma, poder desvendar as mudanças moleculares que levam a desordens como a epilepsia e o Alzheimer. Em vez de tentar ampliar a visão das estruturas invisíveis com um microscópio, ele pensou: "E se aumentássemos fisicamente essas estruturas, de modo que ficassem mais fáceis de serem vistas?" Descubra como os mesmos polímeros que fazem as fraldas de bebê incharem talvez sejam o segredo para entendermos melhor o nosso cérebro.

Olá, pessoal! Trouxe aqui comigo uma fralda de bebê. Vão entender por que daqui a pouco. As fraldas têm propriedades interessantes. Podem inchar enormemente quando se adiciona água a elas, um experimento feito por milhões de crianças todos os dias. (Risos)



Mas a razão é que elas são projetadas de um jeito muito inteligente. São feitas de um material expansível. É um tipo especial de material que, ao se adicionar água, incha tremendamente, até mil vezes seu volume. E esse é um tipo de polímero industrial muito útil. Mas o que estamos tentando fazer no meu grupo no MIT é descobrir se podemos fazer algo análogo no cérebro. Será que podemos aumentá-lo o suficiente pra olhar lá dentro e enxergar esses tijolinhos, as biomoléculas, como elas se organizam em três dimensões, ou, se preferirem, a estrutura real do cérebro? Se conseguirmos isso, talvez possamos compreender melhor como o cérebro se organiza para produzir pensamentos, emoções, ações e sensações. Talvez pudéssemos pinçar as mudanças exatas no cérebro que resultam em doenças como o Alzheimer, a epilepsia e Parkinson, para as quais não há muito tratamento nem cura, e cuja causa e origem desconhecemos, aquilo que realmente as provoca. Bem, nosso grupo no MIT está buscando uma perspectiva diferente daquela como a neurociência foi feita nos últimos 100 anos. Somos designers, inventores, e estamos tentando descobrir como construir tecnologias que nos deixem ver e reparar o cérebro. E a razão é que o cérebro é incrivelmente complicado.

O que aprendi com o último século de neurociência foi que o cérebro é uma rede muito complicada, feita de células muito especializadas chamadas neurônios, com geometrias muito complexas. E correntes elétricas fluem através desses neurônios tão complexos. Além disso, os neurônios se conectam em redes, através de pequenas junções, as chamadas sinapses, que trocam substâncias químicas e permitem que os neurônios conversem entre si. A densidade do cérebro é incrível. Num milímetro cúbico do cérebro, existem cerca de 100 mil desses neurônios, e talvez um bilhão dessas conexões. Mas é muito mais que isso. Assim, se pudéssemos ampliar um neurônio, obviamente isto aqui é apenas uma arte, veríamos milhares e milhares de tipos de biomoléculas, pequenas máquinas em nanoescala, organizadas em complexos padrões 3D, e juntas elas intermedeiam esses pulsos elétricos, essas trocas químicas que permitem aos neurônios trabalhar juntos para gerar pensamentos, sentimentos, e assim por diante.

Não sabemos como os neurônios se organizam no cérebro para formar redes, nem como as biomoléculas se organizam dentro dos neurônios para formar essas máquinas complexas e organizadas. Se quisermos entender isso realmente, vamos precisar de novas tecnologias. Mas, se conseguirmos tais mapas e pudermos observar a organização das moléculas e neurônios, e dos neurônios e suas redes, talvez possamos entender como o cérebro leva informação das regiões sensoriais, a mistura com emoção e sentimento, para gerar nossas decisões e ações. Talvez possamos pinçar exatamente as mudanças moleculares que ocorrem numa desordem cerebral. E uma vez descoberto como essas moléculas mudaram, se cresceram em número ou mudaram de padrão, poderíamos usá-las como alvo para novas drogas e para trazer energia para dentro do cérebro, de modo a recuperar as computações cerebrais atingidas em pacientes que sofrem de desordens cerebrais.

Temos visto, no último século, diversas tecnologias para isso. Acho que todos aqui já viram tomografias de ressonância magnética do cérebro. Obviamente elas têm a vantagem de serem não invasivas e poderem ser realizadas em seres humanos vivos. Mas ainda são espacialmente rudimentares. Cada uma dessas áreas aqui, ou "voxels", como são chamadas, podem conter milhões e milhões de neurônios. Portanto, não é no nível da resolução que vamos pinçar as mudanças moleculares, ou as mudanças na conexão dessas redes, que contribuem para sermos seres conscientes e poderosos.

No outro extremo, temos os microscópios. Os microscópios usam a luz para ver coisas minúsculas. Por séculos, têm sido usados para ver coisas como bactérias. Para a neurociência, os microscópios possibilitaram a descoberta dos neurônios cerca de 130 anos atrás. Mas a luz tem limites básicos. Não se veem moléculas individuais com o microscópio convencional. Não podemos ver essas minúsculas conexões. Portanto, se quisermos ver o cérebro de forma mais potente, chegar à sua verdadeira estrutura,

vamos precisar de tecnologias melhores ainda. Por isso, alguns anos atrás, começamos a pensar: "Por que não fazemos o contrário? Se é tão complicado assim ampliar a visão do cérebro, por que não aumentar o cérebro?" Começamos com dois estudantes de graduação, Fei Chen e Paul Tillberg, e muitos outros da equipe estão ajudando nesse processo. Decidimos pesquisar se podíamos pegar polímeros, como os das fraldas, e instalá-los fisicamente dentro do cérebro. Se fizermos isso certo, e adicionarmos água, podemos teoricamente inflar o cérebro a ponto de distinguir as minúsculas moléculas umas das outras. Poderíamos ver essas conexões e obter mapas do cérebro.

Isso seria um grande avanço. Temos aqui material de fralda de bebê purificada. É muito mais fácil comprar pela internet do que extrair grãos dessas fraldas. Vou colocar somente uma colher de chá aqui deste polímero purificado. E aqui temos um pouco d'água. O que vamos fazer é ver se esta colher de chá do material da fralda pode aumentar de tamanho. Vocês vão vê-lo aumentar em volume cerca de mil vezes bem na sua frente. Posso derramar mais um pouco, mas acho que já deu pra ter uma ideia de que é uma molécula muito, muito interessante e, se pudermos usá-la do jeito certo, poderemos aumentar o cérebro de uma forma que seria impossível com as antigas tecnologias.

Bem, agora um pouquinho de química. O que aconteceu com o polímero da fralda? Se pudéssemos ampliá-lo, veríamos algo mais ou menos como isso. Os polímeros são cadeias de átomos arranjados em linhas longas e finas. E as cadeias são minúsculas, têm a largura de uma biomolécula. e os polímeros são muito densos. Eles estão separados por distâncias cerca do tamanho de uma biomolécula. O que é ótimo, pois teoricamente poderíamos separar tudo no cérebro. Se adicionarmos água, esse material expansível vai absorvê-la, as cadeias de polímero vão se separar umas das outras, e o material todo vai se tornar maior. Como essas cadeias são minúsculas e espaçadas em distâncias biomoleculares, poderíamos inflar o cérebro e ampliá-lo o suficiente para vê-las.

Mas aqui vem o problema: como colocar essas cadeias de polímeros dentro do cérebro para separarmos as biomoléculas? Se conseguirmos isso, talvez possamos chegar a mapas precisos do cérebro, e ver as conexões cerebrais. Poderíamos entrar lá e ver essas moléculas. Para explicar isso, fizemos algumas animações, e podemos ver, nesta arte, como devem ser as biomoléculas e como podemos separá-las. A primeira coisa que teríamos de fazer seria ligar todas as biomoléculas mostradas em marrom aqui a uma pequena âncora, uma pequena alça. Precisaríamos separar as moléculas do cérebro umas das outras e, para tanto, precisaríamos de uma pequena alça que permitisse a esses polímeros se ligarem a elas e se expandirem.

Se simplesmente pegarmos o polímero das fraldas e jogá-lo no cérebro, obviamente ele vai ficar na superfície. Assim, precisamos de um jeito de colocá-lo lá dentro. E foi aqui que demos muita sorte. Acontece que podemos pegar as unidades dos polímeros, os monômeros, e, se os colocarmos dentro do cérebro e depois iniciar reações químicas, conseguiríamos que eles formem essas longas cadeias dentro do tecido cerebral. Eles vão se mover ao redor e entre essas biomoléculas, formando essas teias complexas que acabam nos permitindo separar as moléculas umas das outras. E cada vez que uma dessas pequenas alças está por perto, o polímero vai se ligar a ela, e é exatamente o que precisamos para separar as moléculas umas das outras.

Tudo bem, chegou a hora da verdade. Temos de tratar esta amostra com uma substância química que separe as moléculas umas das outras, e, então, quando adicionarmos água, o material expansível vai começar a absorver a água, as cadeias do polímero vão se separar, só que, agora, as biomoléculas vão se mover juntas. Seria como desenhar algo num balão, para depois enchê-lo; a imagem seria a mesma, mas com as partículas de tinta separadas umas das outras. E é isso o que conseguimos fazer agora, mas em três dimensões.

Há um último truque. Como podem ver aqui, codificamos em cores todas as biomoléculas marrons, pois são meio parecidas. As biomoléculas são feitas dos mesmos átomos, mas numa ordem diferente. Assim, precisamos de uma última coisa de modo a torná-las visíveis. Temos de colocar pequenas etiquetas com cores fosforescentes, para diferenciá-las. Assim, um tipo de biomolécula pode ser azul, outro tipo de biomolécula pode ser vermelha, e assim por diante. E esse é o passo final. Agora, podemos olhar para algo como o cérebro e ver as moléculas individuais, porque as separamos o suficiente umas das outras para podemos vê-las separadamente.

Assim, a esperança é que possamos fazer o invisível visível. Podemos pegar coisas que parecem pequenas e obscuras e ampliá-las até que pareçam constelações de informação sobre a vida. Eis um vídeo real de como seria isso. Temos um pedaço pequeno de cérebro, num prato. Injetamos polímero nele e adicionamos água. O que vão ver, bem na sua frente, neste vídeo acelerado cerca de 60 vezes, é que esse pedacinho de tecido cerebral vai crescer. Ele pode aumentar até 100 vezes, ou até mais, em volume. E o legal é que, como esses polímeros são muito pequenos, separamos as biomoléculas uniformemente. É uma expansão suave. Não estamos perdendo a configuração da informação. Estamos apenas facilitando a sua visualização.

Agora vamos pegar um circuito neural real, um pedaço do cérebro ligado, por exemplo, à memória, e vamos aumentá-lo. Podemos começar a ver como os circuitos são configurados. Talvez algum dia possamos ler uma memória. Talvez possamos ver como os circuitos são configurados para processar as emoções, a verdadeira organização do cérebro, que faz de nós quem somos. E, é claro, esperamos poder identificar os problemas reais no cérebro num nível molecular. E se pudéssemos ver as células do cérebro e descobrir, puxa, aqui estão as 17 moléculas que foram alteradas nesse tecido cerebral que sofreu epilepsia ou alteradas pelo mal de Parkinson ou por outro motivo? Se pegarmos a lista das coisas que sistematicamente dão errado, elas se tornam nossos alvos terapêuticos. Podemos construir drogas para elas, talvez direcionar energia para certas partes do cérebro de modo a ajudar as pessoas com Parkinson ou epilepsia, ou outras condições que afetam mais de 1 bilhão de pessoas no mundo todo.

E algo interessante está acontecendo. Ocorre que, por meio da biomedicina, há outras áreas em que essa expansão pode ajudar. Esta é uma biópsia real de uma paciente com câncer de mama. Se olharmos para os tipos de câncer, se olharmos o sistema imunológico, se olharmos o envelhecimento, o desenvolvimento, todos esses processos envolvem sistemas biológicos como um todo. No entanto, os problemas começam com essas pequenas moléculas em nanoescala, as máquinas que fazem funcionar as células e os órgãos do nosso corpo. Por isso, agora vamos tentar descobrir se podemos usar essa tecnologia para mapear os tijolos da vida numa grande variedade de doenças. Será que vamos poder localizar as mudanças num tumor de modo a atacá-lo de um jeito inteligente usando drogas que possam eliminar especificamente as células que queremos?

Muito da medicina envolve alto risco. Às vezes, é um jogo de adivinhação. Minha esperança é podermos transformar um “pouso na Lua” de alto risco em algo mais confiável. Se pensarem no projeto original, e no efetivo pouso na Lua, ele se baseou em ciência consolidada. Conhecíamos a gravidade e a aerodinâmica, e sabíamos construir foguetes. O risco científico estava sob controle. Ainda assim, foi uma façanha enorme da engenharia. Mas, na medicina, não temos necessariamente todas as leis. Temos todas as leis análogas à gravidade ou à aerodinâmica? Eu diria que com tecnologias como essa da qual falei hoje talvez possamos chegar lá. Podemos mapear os padrões que ocorrem nos sistemas vivos e descobrir como superar as doenças que nos assolam.

Eu e minha esposa temos dois filhos pequenos e, como bioengenheiro, minha esperança é tornar a vida deles melhor do que a que nós temos hoje. E minha esperança é, se pudermos transformar a biologia e a medicina de aventuras de alto risco, governadas pelo acaso e pela sorte, em algo feito com habilidade e trabalho duro, então isso já seria um grande avanço.

Muito obrigado.

Fonte: TED
[Visto no Brasil Acadêmico]

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Fraldas de bebê inspiraram nova forma de estudar o cérebro
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