Envelope bioeletrônico ouve e fala com minicérebros

Conexão com minicérebro

Cientistas desenvolveram uma nova tecnologia capaz de capturar os delicados “diálogos elétricos” que ocorrem dentro dos tecidos vivos, semelhantes ao cérebro humano, cultivados em laboratório.

Os organoides neurais humanos, às vezes chamados de minicérebros, são estruturas de tamanho milimétrico que funcionam como modelos mais simples para o estudo do desenvolvimento e das doenças cerebrais – há quem aposte também que os minicérebros poderão virar biocomputadores.

Porém, até agora só era possível registrar e estimular a atividade de uma pequena fração dos neurônios desses órgãos artificiais, perdendo a dinâmica de toda a rede que dá origem aos ritmos coordenados da bioeletricidade, ao processamento de informações e aos padrões complexos de atividade que definem a função cerebral.

Para superar essas deficiências, Naijia Liu e colegas da Universidade Northwestern, nos EUA, aproveitaram sua longa experiência com eletrônica flexível e criaram um novo suporte que “abraça” o minicérebro inteiro. Como o suporte pode ser polvilhado de sensores minúsculos, isso permite ler ou estimular um número infinitamente maior de neurônios, o suficiente para detectar a atividade da rede neural inteira.

“Os organoides neurais humanos são tecidos tridimensionais vivos que contêm circuitos neurais ativos que se comunicam por meio de sinais elétricos. No entanto, os instrumentos de última geração que usamos para estudá-los foram originalmente projetados para camadas planas de células e não interagem bem com organoides que são esféricos e tridimensionais. Ao criar componentes eletrônicos flexíveis e com formato adaptado à geometria do organoide, agora podemos registrar e estimular centenas de locais em sua superfície simultaneamente. Isso nos permite estudar a atividade neural no nível de redes inteiras, em vez de sinais isolados,” disse o professor Colin Ferraz, membro da equipe.

Envelope bioeletrônico

A estrutura eletrônica tridimensional flexível envolve um organoide como uma malha respirável, envelopando-o com todas as suas curvaturas. Em vez de amostrar regiões selecionadas, ela proporciona uma cobertura quase completa e adaptável ao formato do órgão artificial, com centenas de eletrodos miniaturizados.

“Basicamente, o organoide precisa respirar. O hardware não deve restringir ou sufocar significativamente o seu funcionamento. A estrutura do dispositivo precisa suportar esses processos metabólicos para manter a viabilidade do tecido,” disse o professor John Rogers.

A interface tridimensional permite mapear e manipular a atividade neural em praticamente todo o organoide. Um dos protótipos conseguiu cobrir 91% da superfície de um organoide, incorporando 240 microeletrodos endereçáveis individualmente. Como os organoides geralmente têm apenas um milímetro de diâmetro, foi necessário levar o tamanho dos eletrodos ao extremo – os eletrodos altamente miniaturizados medem apenas 10 micrômetros de diâmetro, aproximadamente o tamanho de uma célula individual.

Enquanto a versão inicial de bioeletrônica flexível construída pela equipe, com apenas 32 eletrodos, conseguia capturar sinais localizados, com os 240 eletrodos tornou-se possível registrar ondas oscilatórias sincronizadas que abrangem todo o organoide. Como a posição exata de cada eletrodo é conhecida, isso viabiliza a criação de um mapa 3D da atividade elétrica do organoide.

Nos experimentos, a equipe observou sinais surgirem em uma região e se propagarem por toda a rede. Ao revelar atrasos de frações de segundo entre áreas distantes, a tecnologia captou sinais claros de comunicação coordenada dentro dos neurônios do organoide.

Ouve e fala

E o sistema não está limitado a ouvir o organoide – ele também fala com ele. O envelope bioeletrônico pode emitir pulsos elétricos muito delicados, desencadeando respostas neuronais em regiões específicas. Quando combinado com imagens e optogenética, o sistema permite que os cientistas observem e influenciem a atividade neural.

O dispositivo permite até mesmo moldar o crescimento dos organoides: Modificando a estrutura da microrrede de sensores, os pesquisadores criaram geometrias não esféricas, incluindo formas hexagonais e cúbicas, fazendo os organoides crescerem adquirindo os formatos correspondentes.

“Com essa capacidade, podemos imaginar a montagem de diferentes tipos de organoides para criar versões em miniatura do corpo humano,” disse Rogers. “Com organoides em formato de cubo, poderíamos empilhá-los como peças de Lego.”