Optogenética, Luz passa a controlar neurônios em testes com animais e abre caminho para próteses e terapias cerebrais

Revisão brasileira explica como infravermelho e optogenética podem superar limites da estimulação elétrica.

Próteses neurais e tratamentos para doenças do sistema nervoso podem, no futuro, trocar impulsos elétricos por feixes de luz. Uma revisão publicada em setembro de 2012 na Revista Brasileira de Engenharia Biomédica descreve como a estimulação óptica direta e a optogenética já permitiam ativar ou controlar neurônios em modelos animais, embora ainda não fossem tratamentos disponíveis para pessoas.

A diferença central está no modo como a luz interage com o tecido. Na estimulação direta, geralmente feita com infravermelho, o feixe é aplicado sobre o tecido nervoso para provocar uma resposta. Na optogenética, os pesquisadores primeiro tornam determinadas células sensíveis à luz por meio de engenharia genética. Só depois usam o estímulo luminoso para comandar sua atividade.

Por que a luz interessa mais do que a eletricidade para controlar neurônios?

A estimulação elétrica continua sendo o padrão de referência para ativar estruturas neurais, mas sua ação pode alcançar células próximas ao ponto de aplicação. A luz oferece a possibilidade de selecionar melhor a região estimulada, característica importante quando o objetivo é atingir um grupo específico de neurônios sem interferir tanto nos demais.

O laser e outras fontes ópticas já eram usados em várias áreas médicas, como oftalmologia, dermatologia, cardiologia, neurocirurgia e fisioterapia. O passo seguinte descrito pelos autores foi levar esse tipo de interação para o tecido neuronal, ajustando intensidade, tempo de exposição e comprimento de onda para produzir respostas biológicas diferentes.

Como funciona a estimulação neural por infravermelho?

Na estimulação óptica direta, o infravermelho é direcionado ao tecido nervoso sem exigir contato direto com o neurônio. A energia luminosa provoca alterações que podem desencadear um potencial de ação, o sinal elétrico usado pelas células nervosas para transmitir informação.

Essa abordagem apresentou maior seletividade espacial em comparação com a estimulação elétrica, segundo a revisão. O limite apontado pelos pesquisadores é que a técnica tinha capacidade mais restrita para ativar os neurônios, além de depender de parâmetros físicos cuidadosamente ajustados para evitar efeitos indesejados no tecido.

Entre as aplicações investigadas estavam próteses cocleares, dispositivos visuais e vestibulares e formas de estimulação encefálica profunda. A possibilidade de transmitir comandos sem eletrodos em contato direto com o tecido era um dos motivos para o interesse da engenharia biomédica.

O que muda quando o neurônio é geneticamente preparado para receber luz?

A optogenética amplia o controle porque não depende apenas da energia luminosa aplicada ao tecido. Ela usa um vírus com DNA modificado para levar genes capazes de produzir rodopsinas, proteínas associadas à percepção da luz e encontradas em fotorreceptores da retina, além de presentes em microalgas e eubactérias.

Depois de incorporadas às células-alvo, essas proteínas podem transformar o neurônio em uma unidade sensível à luz. Com isso, torna-se possível não apenas despolarizar, ou ativar, os neurônios codificados, mas também hiperpolarizá-los, reduzindo sua atividade. Essa capacidade de ligar e desligar populações específicas diferencia a optogenética da estimulação óptica direta.

Os autores também descrevem o uso de proteínas fluorescentes sensíveis à tensão elétrica. Elas funcionam como marcadores da atividade neural, permitindo acompanhar as alterações no neurônio por meio de sinais luminosos. Assim, a mesma estratégia pode ajudar a estimular e observar o funcionamento de circuitos nervosos.

Quais comprimentos de onda podem ser usados?

A revisão reúne estudos que trabalhavam com células sensibilizadas à luz em uma faixa aproximada de 470 a 960 nanômetros. Também são citadas pesquisas nas quais células modificadas emitiam luz em comprimento de onda de 360 nanômetros, mostrando que a técnica podia ser pensada tanto para controlar quanto para monitorar processos biológicos.

O resultado depende da proteína utilizada, do tipo de célula modificada e dos parâmetros da fonte luminosa. Por isso, não existe uma única cor de luz capaz de produzir o mesmo efeito em qualquer neurônio. A escolha do comprimento de onda integra o projeto experimental e precisa ser compatível com o tecido e com a resposta desejada.

Em que estágio estavam as aplicações médicas em 2012?

Segundo a Revista Brasileira de Engenharia Biomédica, as técnicas de estimulação neural por infravermelho e de optogenética eram aplicadas apenas em modelos animais em setembro de 2012. A revisão apontava viabilidade para aplicações humanas, mas apresentava a substituição da estimulação elétrica como uma perspectiva futura para doenças neurológicas específicas, não como uma terapia já disponível.

Essa distinção é importante. Tornar neurônios sensíveis à luz exige modificar geneticamente o tecido, controlar a distribuição das proteínas e desenvolver uma forma segura de levar a fonte luminosa até a região desejada. Já a estimulação direta precisa resolver questões relacionadas à precisão, à dose de energia e à resposta limitada de ativação.

Que relação essa tecnologia tem com próteses e reabilitação?

O interesse está na possibilidade de transformar sinais luminosos em comandos neurais mais precisos. Em uma prótese auditiva, visual ou vestibular, por exemplo, a luz poderia ser usada para estimular circuitos ligados à percepção sem depender exclusivamente de contatos elétricos convencionais.

Para a engenharia de reabilitação, isso representa uma tentativa de aproximar o dispositivo do funcionamento seletivo do sistema nervoso. Em vez de estimular uma área inteira, o equipamento poderia buscar células ou grupos celulares definidos. A proposta, contudo, ainda dependia de pesquisas pré-clínicas quando o artigo foi publicado.

O que ainda precisava ser resolvido?

A revisão não trata a luz como solução pronta. Entre os desafios estavam a segurança da introdução de material genético, o controle do vírus utilizado como veículo, a estabilidade das proteínas sensíveis à luz e a criação de aparelhos capazes de entregar o estímulo com precisão.

Também era necessário compreender melhor como o tecido reagiria ao infravermelho e como os neurônios modificados se comportariam ao longo do tempo. A aplicação em seres humanos dependeria de evidências de eficácia, segurança e controle dos efeitos antes de qualquer substituição da estimulação elétrica.

O estudo foi produzido por pesquisadores ligados à Universidade Tecnológica Federal do Paraná, à Pontifícia Universidade Católica do Paraná e ao Instituto de Cardiologia do Rio Grande do Sul. A análise reuniu trabalhos publicados entre 1979 e 2011 em bases científicas e livros, organizando o estado da tecnologia naquele período. As próximas etapas apontadas eram ampliar os testes e avaliar quais doenças neurológicas poderiam se beneficiar de uma estimulação mais seletiva.

O texto integra o acervo da Rede SciELO, plataforma que reúne periódicos científicos brasileiros e latino-americanos.

Com informações da Revista Brasileira de Engenharia Biomédica.

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