As fraldas de bebê inspiraram uma nova forma de estudar o cérebro

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.

(Aplausos) (Vivas)