Optogenética As novas sondagens do cérebro

Optogenética
As novas sondagens do cérebro
A Optogenética permite identificar com precisão circuitos cerebrais em funcionamento, o que permite superar algumas dificuldades técnicas e metodológicas da neuroimagem e da eletrofisiologia de neurônios individuais

Por João de Fernandes Teixeira
O cérebro é o órgão mais complexo do corpo humano. Ele contém bilhões de neurônios e os contatos entre eles, as sinapses, atingem um número próximo ao de partículas existentes no universo. Os neurônios estão organizados em circuitos microscópicos que, ao se combinarem, formam redes ou sistemas.
Observar o cérebro em funcionamento é um desa o que só recentemente a Neurociência está conseguindo enfrentar. Antes da invenção de tecnologias modernas, a única maneira de estudar o cérebro humano era correlacionar disfunções cognitivas com alterações no tecido cerebral. Essas correlações só eram de nitivamente con rmadas após a morte dos pacientes, quando seus cérebros podiam, então, ser dissecados.
Esse cenário começou a mudar a partir da segunda metade do século XX com o desenvolvimento de novas tecnologias de sondagem do cérebro. Uma delas é a eletrofisiologia do neurônio, que se baseia no estudo das propriedades eletrofisiológicas dos neurônios através da inserção de microelétrodos que detectam variações elétricas em suas membranas. Essas variações elétricas são amplificadas, o que torna possível identificá-las e correlacioná-las com comportamentos e atividades cognitivas. Essa técnica tem várias restrições: é invasiva e o conhecimento que ela nos fornece sobre o cérebro é momentâneo e pontual, o que dificulta a detecção do papel das redes neurais e do contexto no qual as variações elétricas ocorrem.
A segunda e mais importante técnica de observação do cérebro vivo é a neuroimagem, que pode ser obtida pelo PET (Positron Emission Tomography) e pelo fMRI (Functional Magnetic Resonance Imaging). A neuroimagem causou uma revolução sem precedentes na história da Neurociência.
As imagens obtidas pelo PET ou pelo fMRI detectam a atividade neural através das variações metabólicas que ocorrem no cérebro. Eventos neurais aumentam o afluxo sanguíneo pela concentração de oxigênio ou de glicose. A partir dessas variações metabólicas, é possível derivar imagens da atividade do cérebro que são correlacionadas com comportamentos e atividades cognitivas.
Nos últimos anos, imagens do cérebro obtidas por PET ou por fMRI se tornaram populares na mídia que, com muito exagero, as tem divulgado como se elas fossem fotografias do pensamento. Contudo, a PET e a fMRI ainda não atingiram a resolução espacial e temporal desejada pelos neurocientistas. Quando se localizam eventos no cérebro usando essas técnicas, ocorre a identificação de regiões cúbicas entre 2 e 5 milímetros, nas quais há centenas de milhares de células. Contudo, seu grau de especialização ou diferenciação pode não ser captado pela neuroimagem. A fMRI não permite refinar a busca por correlatos neurais específicos de percepções, lembranças ou intenções. Ele só nos proporciona a identificação de recortes amplos da atividade cerebral.

Observar o cérebro em funcionamento é um desafio que só recentemente a Neurociência está conseguindo enfrentar

Além de problemas técnicos, a neuroimagem e a eletrofisiologia de neurônios individuais enfrentam dificuldades metodológicas, porque só permitem afirmar a existência de uma concomitância entre inputs e atividades mapeadas no cérebro

Dificuldades

Além de problemas técnicos, a neuroimagem e a eletrofisiologia de neurônios individuais enfrentam dificuldades metodológicas. Essas técnicas permitem apenas correlacionar atividades elétricas ou metabólicas com inputs (estímulos) enviados ao cérebro. Em outras palavras, elas só permitem afirmar a existência de uma concomitância entre inputs e atividades mapeadas no cérebro. Mas, a confirmação definitiva de que a um estímulo corresponde a um determinado correlato neural exige mais do que detectar uma concomitância entre eles. É preciso poder fazer o caminho inverso, ou seja, mostrar que das imagens dos correlatos neurais é possível inferir as percepções ou comportamentos que os causaram. Mas, as neuroimagens ainda não permitem retroagir com precisão em direção aos comportamentos e percepções específicas que as causam.
Um mapeamento cerebral preciso exige mais do que medir o potencial elétrico de alguns neurônios ou detectar a atividade de redes neurais através de variações metabólicas. É preciso uma técnica que estabeleça uma via de mão dupla, ou seja, além de detectar a atividade de grupos específicos de neurônios, também poder intervir para verificar o que ocorre quando eles são excitados. Mais importante ainda: é preciso poder controlar essa intervenção, de maneira que os comportamentos e percepções que resultem dela não ocorram de forma aleatória.
A partir de 2006, começou a ser desenvolvida uma nova técnica de observação do funcionamento cerebral, a optogenética. Como o próprio nome diz, é uma combinação da óptica com a genética. Essa nova tecnologia visa uma identificação precisa de circuitos cerebrais em funcionamento, o que permite superar algumas dificuldades técnicas e metodológicas da neuroimagem e da eletrofisiologia de neurônios individuais. Com a optogenética é possível identificar o funcionamento de áreas cerebrais de menos de um milímetro cúbico, compostas de um único tipo de neurônio. Sua grande novidade é abrir a possibilidade de intervir no cérebro e alterar seu funcionamento. Esse é um passo importante para confirmar a existência de uma dependência causal entre correlatos neurais e seus equivalentes no comportamento e na percepção. Um mapa do cérebro assim obtido torna-se muito mais preciso e refinado do que
Além disso, a optogenética abre grandes perspectivas práticas, sobretudo na área da clínica de doenças neurológicas e psiquiátricas.

 

A segunda e mais importante técnica de observação do cérebro vivo é a neuroimagem, que pode ser obtida pelo PET e pelo fMRI

Referência brasileira Miguel Nicolelis é médico e cientista brasileiro, lidera um grupo de pesquisadores da área de Neurociência da Universidade Duke (EUA), no campo de fisiologia de órgãos e sistemas, na tentativa de integrar o cérebro humano com máquinas (neuropróteses ou interfaces cérebro-máquina). O objetivo das pesquisas é desenvolver próteses neurais para a reabilitação de pacientes que sofrem de paralisia corporal.

Como costuma ocorrer com a invenção da maioria das tecnologias inovadoras, a optogenética se desenvolveu a partir de uma combinação de técnicas, cuja convergência dificilmente poderia ser imaginada. A ideia básica da optogenética é fazer com que alguns neurônios se tornem sensíveis à luz através de uma modificação no seu código genético. Plantas são sensíveis à luz. Isso significa que se inserirmos genes de algumas plantas em certos grupos de neurônios, eles também podem se tornar sensíveis à luz. Quando isso acontece, esses neurônios disparam e produzem determinados comportamentos. Em outras palavras, se direcionarmos um jato de luz no cérebro, através de um cabo de fibra óptica instalado no crânio, esses neurônios geneticamente modificados entram em ação. Até aí, nada de novo, pois esses neurônios poderiam ser estimulados eletricamente.
A novidade está no fato de esses genes estarem marcados por um “promotor”. Esse promotor é uma partícula específica de DNA que permite identificar quais células estão usando um determinado tipo de gene. Ou seja, através do promotor é possível especificar de antemão que tipos de neurônios reagirão à luz.
Na década de 1990, o biólogo alemão Peter Hegemann descobriu o gene que tornava as Chlamydomonas sensíveis à luz. Chlamydomona é um tipo de alga marinha. Contudo, a descoberta de Hegemann só se repercutiu na forma de um artigo em uma revista especializada em biologia molecular.
Anos mais tarde, o neurocientista Roger Tsien, da Universidade da Califórnia, em San Diego, leu, por acaso, o artigo de Hegemann e percebeu que essa descoberta poderia ser usada em um novo tipo de técnica para observação do funcionamento do cérebro. Sua ideia foi injetar esse gene, juntamente com o promotor, em uma área de um milímetro cúbico de tecido cerebral. O gene e o promotor entram no cérebro na forma de uma infecção viral, de tal forma que esse gene se mistura ao DNA do neurônio. Por ser mitigada, a infecção é benigna, o que elimina o risco de danos ao cérebro.
A infecção se espalha pelo cérebro, mas o promotor faz com que o gene só se associe a um tipo específico de neurônio, que foi marcado para utilizá-lo. Esse grupo de neurônios se torna fotossensível, ou seja, é possível estimulá- los com um jato de luz. Quando são iluminados, eles disparam. É possível variar o tipo de neurônio infectado e “fotossensibilizado”, pois o promotor possibilita que eles sejam marcados e, posteriormente, estimulados pela luz que entra no cérebro pelo capacete com fibra óptica. Assim, torna-se possível estimular pela luz um tipo específico de neurônio nessa pequena porção do cérebro no qual o vírus foi injetado. Esse procedimento permite identificar o disparo de neurônios em áreas diminutas do cérebro. Ele pode ser repetido e, em cada uma das vezes, um tipo de neurônio ser marcado e estimulado. Por exemplo, é possível estimular tipos específicos de neurônios que produzem neurotransmissores como a dopamina, a acetilcolina ou a serotonina que, por sua vez, alteram o comportamento e a percepção. Um tipo de neurônio é estimulado a cada vez, e com muito mais precisão do que com as técnicas já disponíveis.


Um mapeamento cerebral preciso deve detectar a atividade de grupos específicos de neurônios e verificar o que ocorre quando eles são excitados. Além disso, precisa controlar a intervenção, para que ela não ocorra de forma aleatória

Consequências ambientais

Há um imperativo de longo prazo que pesará na escolha dos rumos das pesquisas futuras: a questão ambiental. A fabricação de medicamentos exige que os laboratórios emitam enormes quantidades de dióxido de carbono na atmosfera. Se essa tendência persistir, a poluição aumentará cada vez mais, pois o número de pessoas submetidas a tratamentos psiquiátricos que envolvem medicações de uso contínuo só tende a aumentar.
Mas se a banalização dos psicofármacos já não assusta mais, há outras previsões de Huxley que podem nos causar preocupação. No seu livro Regresso ao admirável mundo novo (publicado em 1959, 27 anos após o seu clássico Admirável mundo novo), Huxley fez uma predição sombria: a de que os transtornos mentais se tornariam uma epidemia incontrolável. Parece que sua previsão, mais uma vez, está se confirmando, pois os laboratórios se multiplicam cada vez mais, e versões similares de medicamentos tradicionais passam a ser fabricadas nos países em desenvolvimento para dar conta da demanda crescente. Uma das consequências ambientais perversas dessa corrida industrial é, além da demanda excessiva por eletricidade para manter fábricas funcionando, o fato de que resíduos desses medicamentos descem pelos esgotos e atingem os rios, poluindo nossas fontes de água potável. Recentemente, houve relatos de que quantidades minúsculas de fluoxetina já podem ser detectadas em rios como o Tâmisa. O que ocorrerá quando essas quantidades aumentarem?


Ao se inserir genes de algumas plantas em certos grupos de neurônios, é possível torná-los sensíveis à luz, o que faz com que esses neurônios disparem e produzam determinados comportamentos

Tecnologia em uso
Tsien levou quase três anos para conseguir implementar sua nova tecnologia usando cérebros de ratos. Em 2008, ganhou o Prêmio Nobel de Química. Hegemann resolveu, então, batizar o seu gene com o nome de canalrodopsina. A partir da canalrodopsina foi possível produzir a GFP (green fluorescent protein). Ao contrário da canalrodopsina, a GFP permite marcar os neurônios que foram ativados antes que ocorram um comportamento ou um conjunto de percepções. Uma vez detectados, é possível, através da canalrodopsina, estimulá-los para ver se as mesmas percepções e comportamento se repetem. Com isso, fecha-se o círculo que permite o mapeamento preciso do cérebro. Mas, mais do que isso, é possível, agora, ligar ou desligar grupos específicos de neurônios.
Em 2009, o psiquiatra Karl Deissenroth, da Universidade de Stanford, iniciou as pesquisas para utilizar a optogenética no tratamento de distúrbios neurológicos, em especial o Parkinson e as epilepsias graves. No caso do Parkinson, a intervenção no cérebro consiste em iluminar neurônios que produzem dopamina com um facho de luz azul. Com isso, eles disparam, produzem esse neurotransmissor e os tremores involuntários melhoram. No caso das epilepsias graves, o mecanismo é o inverso, ou seja, trata-se de inibir neurônios que disparam irregular e excessivamente, o que é conseguido pela projeção de um facho de luz amarela no cérebro.
Em ambos os casos, a optogenética é mais vantajosa do que os tratamentos convencionais com medicamentos. Como as populações de neurônios a serem excitados ou inibidos podem ser determinadas com precisão, a quantidade de neurotransmissores a ser liberada pode ser ajustada individualmente. Isso não ocorre com os medicamentos, que inundam o cérebro indiscriminadamente e cujo ajuste tem de ser conseguido por tentativa e erro. O controle de efeitos colaterais também se torna mais fácil com a utilização da optogenética. No caso do Parkinson, os medicamentos podem produzir alucinações e, no caso das epilepsias, acabam sempre levando a uma sonolência diurna incômoda. O uso contínuo de dopamina faz com que o organismo gere uma tolerância progressiva ao medicamento, o que exige que suas doses sejam, progressivamente, aumentadas até o ponto de quase não produzirem mais efeito.

Um mapeamento cerebral preciso exige mais do que medir o potencial elétrico de alguns neurônios ou detectar a atividade de redes neurais

 

Tanto nos casos de Parkinson quanto nos de epilepsia, a optogenética é mais vantajosa do que os tratamentos convencionais com medicamentos, já que as populações de neurônios a serem excitados ou inibidos podem ser ajustadas individualmente

Perspectivas animadoras
Aplicações da optogenética na Neurologia e na Psiquiatria ainda são incipientes, mas as perspectivas são animadoras. Poder ligar e desligar grupos específicos de neurônios significa controlar várias patologias, como, por exemplo, os transtornos obsessivos compulsivos e a depressão. Nos casos de depressão, por exemplo, será possível iluminar neurônios fotossensíveis que geram serotonina. Não precisaremos mais ingerir diariamente doses de inibidores da receptação da serotonina, como é o caso da fluoxetina que, até agora, tem mostrado um sucesso relativo, embora não isenta de efeitos colaterais.
A optogenética levará, muito provavelmente, a uma revolução paradigmática na Neurologia e na Psiquiatria. Em vez de continuar concentrando as pesquisas na descoberta de novos medicamentos de uso contínuo, a nova tecnologia terá como foco a construção de capacetes capazes de irrigar o cérebro com luzes de várias cores. Eles serão construídos em série e adaptados individualmente. Seu consumo de eletricidade não será maior do que o de um implante coclear, ou seja, cada um deles não consumirá mais do que 0,075 watts.
Certamente, o desenvolvimento dos capacetes optogenéticos esbarrará na resistência da indústria farmacológica, cujos lucros monumentais são garantidos pela necessidade do uso contínuo de medicação. Vivemos ainda em um paradigma medicamentoso, no qual, conforme já previsto por Aldous Huxley décadas atrás, a felicidade é essencialmente uma conquista farmacêutica, obtida pelo consumo constante de psicofármacos. O que era no início dos anos 30 uma previsão estarrecedora, hoje não passa de uma prática banal. Há medicamentos para tudo e, deles, também se pode esperar a solução para tudo.

A ideia básica da optogenética é fazer com que alguns neurônios se tornem sensíveis à luz através de uma modificação no seu código genético

O ápice humano Aldous Huxley é escritor inglês. Mais conhecido pelos seus romances, como Admirável mundo novo e diversos ensaios, Huxley foi um entusiasta do uso responsável da mescalina (um alucinógeno natural extraído do cacto peiote) como catalisador dos processos mentais do indivíduo, em busca do ápice da condição humana e de maior desenvolvimento das suas potencialidades.

Revolução

A revolução paradigmática na Neurociência e na Neuropsiquiatria já vem ocorrendo. No mundo, já há cerca de 250 mil pessoas portadoras de algum tipo de implante protético no cérebro. A integração entre organismos e máquinas é uma tendência crescente nos últimos anos que, aliás, vem sendo confirmada pelas pesquisas do brasileiro Miguel Nicolelis. Seu projeto é construir exoesqueletos que, acoplados aos corpos de pessoas paraplégicas, possam lhes devolver os movimentos necessários para levarem uma vida mais independente. A estimulação de grupos de neurônios por técnicas optogenéticas pode aperfeiçoar esses exoesqueletos, simulando sensações táteis que ocorrem nas extremidades dos corpos biológicos, como a planta do pé ou as pontas dos dedos. As próteses serão um pouco mais confortáveis.
É fácil imaginar malefícios que podem resultar de novas tecnologias. Aliás, quase sempre, eles são os primeiros a serem anunciados. Quem poderia prever que impressoras 3-D seriam usadas para fabricar armas e munições em casa? No caso da optogenética, uma das consequências mais temíveis é a vulnerabilidade dos usuários, de capacetes a controles externos. Aliás, isso pode ocorrer com qualquer portador de algum tipo de prótese (especialmente chips) no cérebro. Através do controle optogenético da atividade que ocorre entre o nervo óptico e o cérebro, eles poderão ser imersos em um mundo de falsas percepções, comparável com o que ocorre no filme Matrix. Esse é um cenário assustador, apesar de fantasioso. Entretanto, discuti-lo pode ser um bom exercício para questionar os limites éticos das neurotecnologias.
Ainda é cedo para antever os impactos da optogenética. Do ponto de vista filosófico, ela é mais um passo em direção ao sonho reducionista da maioria dos neurocientistas contemporâneos, para os quais a mente nada mais é do que o cérebro. Mas, será que da optogenética podemos derivar uma conclusão tão cabal?

O número de pessoas submetidas a tratamentos psiquiátricos que envolvem medicações só tende a crescer, isso deverá aumentar a poluição emitida pelas fábricas de medicamentos

A tecnologia optogenética acentua os contornos de um futuro transhumano, buscando uma integração ainda mais radical do que a que já ocorre com humanos e máquinas, pois ela envolve, também, as plantas. Contudo, o futuro de uma tecnologia nova é imprevisível. Basta considerar que em três anos, de 1993 a 1996, a internet, que tinha sido, inicialmente, projetada para 130 sites, chegou a mais de 600 mil. Só saberemos se a optogenética será um sucesso algumas décadas mais adiante, quando refizermos a história da Neurociência do século XXI.

Referências
DEISSENROTH, K. http://www.youtube.com/watch?v=C8bPbHuOZXg (acessado em agosto de 2012).
CHOROST, M. Worldwidemind. NovaYork, Free Press, 2011.
HUXLEY, A. Admirável mundo novo. São Paulo, Círculo do Livro, 1932.
HUXLEY, A. Regresso ao admirável mundo novo. São Paulo, Círculo do Livro, 1959.
NICOLELIS, M. Muito além do nosso Eu. São Paulo, Companhia das Letras, 2011. OPEN OPTOGENETICS – The optogenetics wiki http://www.openoptogenetics.org/index.php?title=Main_Page (acessado em agosto de 2012).
TSIEN, R. The green fluorescent protein: discovery, expression and development. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2008/advancedchemistryprize2008.pdf (acessado em agosto de 2012).


João de Fernandes Teixeira é PhD pela University of Essex (Inglaterra) e professor*titular na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). Autor de 13 livros, recentemente, publicou o livro Filosofia do cérebro (Paulus, 2012).