11 de julho de 2005
La Jolla, CA – Por muitos anos, os cientistas tentaram obter informações sobre o sistema nervoso registrando a atividade elétrica de uma célula cerebral por vez. Como mesmo as funções mais simples do sistema nervoso envolvem muitos milhares de neurônios, registrar a atividade de um indivíduo ou apenas um punhado de células nervosas não fornece uma imagem completa.
Assim, em colaboração com um grupo internacional de físicos de alta energia, os neurobiólogos do Salk Institute for Biological Studies desenvolveram um conjunto de eletrodos microscópicos que lhes permite monitorar a atividade de centenas de células nervosas simultaneamente.
A pesquisa estabelece as bases tecnológicas e biológicas para o desenvolvimento de dispositivos protéticos visuais que, um dia, poderão restaurar algum grau de visão para pessoas cuja retina, um tecido fino que reveste a parte de trás do olho, foi danificada por doença ou trauma.
“Nosso dispositivo nos permite descobrir o que é necessário para entregar o tipo certo de informação ao cérebro. Esperançosamente, em cinco anos, o que aprendemos agora será integrado em dispositivos protéticos visuais”, diz EJ Chichilnisky, Professor Associado nos Laboratórios de Neurobiologia de Sistemas e autor sênior do estudo, publicado na edição de julho do Journal of Neurophysiology.
Em termos simplificados, a visão é gerada quando a luz que entra no olho é convertida pela retina em um conjunto de sinais elétricos altamente processados que são levados pelo nervo óptico ao córtex visual do cérebro. Quando a retina é danificada, esse circuito é interrompido e o resultado é a cegueira. Os implantes de retina são projetados para contornar a retina danificada com a ajuda de minúsculos arranjos de eletrodos que são usados para induzir sinais elétricos nas células nervosas na parte de trás do olho.
Durante os últimos anos, os primeiros protótipos de próteses retinianas foram implantados em um punhado de pessoas. Mas a visão produzida por esses implantes, que contêm apenas 16 eletrodos, é extremamente grosseira e permite aos pacientes apenas discriminar entre flashes de luz.
Em colaboração com os pesquisadores do Salk, Alan Litke, físico de partículas do Santa Cruz Institute for Particle Physics da Universidade da Califórnia em Santa Cruz, e sua equipe desenvolveram um arranjo microscópico de eletrodos 10 vezes menor, mas com mais de 30 vezes o número de eletrodos em comparação com os implantes atuais. Cada um dos 512 eletrodos mede apenas 5 micrômetros de diâmetro ou cerca de 1/20 da largura de um fio de cabelo humano. Embora essa matriz não seja adequada para implantação em humanos, ela pode ser usada para estudar como os padrões de estimulação elétrica afetam os neurônios na retina extirpada.
Os neurobiólogos de Salk, Eric S. Frechette e Chichilnisky, usaram o arranjo de 512 eletrodos para estudar com que precisão a retina transmite informações sobre objetos em movimento para o cérebro. Eles colocaram um pequeno pedaço de retina no topo da matriz e estimularam os fotorreceptores na retina com imagens visuais dinâmicas enquanto a matriz de eletrodos registrava os sinais gerados em resposta aos estímulos em movimento. Ao comparar a entrada visual com a saída elétrica da retina, os pesquisadores puderam estudar o código neural usado pela retina para transmitir informações significativas ao cérebro.
“A retina comunica o movimento não por meio de uma única célula, mas por meio de um padrão de atividade que envolve muitas células. À medida que o estímulo, como um carro em movimento ou uma gazela correndo, se move, uma onda correspondente de atividade atravessa a retina”, explica Chichilnisky. Ele acrescenta que “até que pudéssemos gravar diretamente de centenas de células, era impossível dizer com que precisão a retina transmitia ao cérebro informações sobre velocidade e direção do movimento”.
Agora eles podem. Com base no padrão de atividade gerado pela retina, os neurobiólogos foram capazes de estimar a velocidade do objeto em movimento projetado com uma precisão surpreendente de 99%. “Na experiência cotidiana, saber com que velocidade e em que direção as coisas estão se movendo é crucial, basta pensar em carros em uma rodovia de cinco pistas ou em uma gazela que tenta escapar de um predador”, diz Chichilnisky.
Além disso, a tecnologia é potencialmente aplicável ao estudo de outros circuitos neurais do cérebro.
Atualmente, a equipe de Chichilnisky está usando o arranjo microscópico de eletrodos para induzir sinais elétricos nas células da retina. Com base no que aprenderam com seus estudos de gravação, eles tentarão imitar o código neural usado pela retina para transmitir informações visuais ao cérebro em estudos futuros.
“Esperamos poder recriar um padrão significativo de atividade em muitas células nervosas. Isso estabelecerá as bases para a construção de dispositivos que permitem que seres humanos cegos façam o que quiserem, como atravessar uma rua ou simplesmente não esbarrar nas coisas”, diz Chichilnisky.
Os cientistas do Instituto de Física de Partículas de Santa Cruz que contribuíram para o artigo incluem o estudante de graduação em física Matthew Grivich, o pesquisador de pós-graduação Dumitru Petrusca e o físico de pós-doutorado Alexander Sher. Contribuições importantes para o desenvolvimento da tecnologia também foram feitas por Wladek Dabrowski e sua equipe de projeto de circuito integrado na AGH University of Science and Technology em Cracóvia, Polônia.
O trabalho foi parcialmente viabilizado por uma doação do Salk Institute Innovation, financiada por contribuições de doadores privados.
O Salk Institute for Biological Studies em La Jolla, Califórnia, é uma organização independente sem fins lucrativos dedicada a descobertas fundamentais nas ciências da vida, à melhoria da saúde humana e ao treinamento de futuras gerações de pesquisadores. Jonas Salk, MD, cuja vacina contra a poliomielite praticamente erradicou a doença incapacitante poliomielite em 1955, fundou o Instituto em 1960 em um terreno doado pela cidade de San Diego e com o apoio financeiro da March of Dimes.
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