A imagem superior direita ilustra como a microscopia óptica adaptativa de três fótons permite imagens de alta resolução da microglia no cérebro de camundongos acordados, resultando em imagens mais nítidas em comparação com as tecnologias existentes. A imagem inferior esquerda demonstra que esta nova tecnologia pode capturar a atividade da microglia em ratos acordados. Crédito: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-64251-y
Uma equipe de pesquisa da Escola de Engenharia da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST) alcançou um avanço em imagens cerebrais ao desenvolver a primeira tecnologia do mundo para capturar imagens de alta resolução dos cérebros de camundongos experimentais acordados de uma maneira quase não invasiva.
Ao eliminar a necessidade de anestesia, esta inovação permite aos cientistas estudar o tecido cerebral no seu estado totalmente funcional. O avanço promete insights mais profundos sobre o funcionamento do cérebro humano, tanto em condições saudáveis como de doença, abrindo novas fronteiras na pesquisa em neurociência.
O estudo foi publicado recentemente na Nature Communications em um artigo intitulado “Óptica adaptativa rápida, permitindo imagens cerebrais quase não invasivas de alta resolução em camundongos com comportamento acordado”.
O cérebro humano é extraordinariamente complexo e os cientistas há muito procuram descobrir as suas funções através de tecnologias de imagem cerebral. No entanto, os métodos existentes, como a ressonância magnética (MRI), a eletroencefalografia (EEG), a tomografia computadorizada (TC) e a tomografia por emissão de pósitrons (PET), são limitados em sua capacidade de revelar os detalhes estruturais e funcionais da atividade cerebral.
Os ratos são amplamente utilizados como organismos modelo para estudar tratamentos para distúrbios neurológicos, como Alzheimer, doença de Huntington e epilepsia, bem como terapias para vários tipos de câncer e eficácia de vacinas, devido à sua estreita semelhança genética e biológica com os humanos. No entanto, a anestesia altera profundamente a circulação sanguínea, a morfologia das células gliais e a atividade neuronal, levando a resultados experimentais menos confiáveis do que aqueles obtidos em animais acordados. Além disso, os movimentos naturais em ratos acordados muitas vezes desfocam as imagens digitalizadas, dificultando a observação das estruturas finas do cérebro.
A nova tecnologia, denominada Multiplexing Digital Focus Sensing and Shaping (MD-FSS), foi desenvolvida por uma equipe liderada pelo Prof. QU Jianan, Professor do Departamento de Engenharia Eletrônica e de Computação (ECE) da Escola de Engenharia. Esta inovação se baseia no trabalho anterior do Prof. Qu, “Detecção e modelagem de foco de detecção de fase de bloqueio analógico (ALPHA-FSS)”, publicado na Nature Biotechnology em 2022.
Imagem multiplano quase simultânea de atividade neuronal e dendrítica espontânea no cérebro de camundongos acordados e comportados a 320.330.370 μm de profundidade abaixo da pia através do crânio afinado. Traços de cálcio de dendritos e soma do mesmo neurônio são sincronizados. Barra de escala: 20 μm. Crédito: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-64251-y
ALPHA-FSS alcançou resolução subcelular em imagens cerebrais usando microscopia de três fótons. Apesar de sua alta precisão e alta ordem de correção, sua velocidade de varredura era muito lenta para capturar imagens de alta qualidade de problemas cerebrais de animais acordados, onde os movimentos naturais causavam desfoque.
Além disso, a espessura e a densidade do crânio absorvem e dispersam fortemente a luz que entra, limitando severamente a capacidade da microscopia de dois fótons de penetrá-la. Mesmo em regiões superficiais do cérebro, a qualidade da imagem é degradada, resultando em baixo desempenho de imagem.
Imagens mais nítidas, velocidades aumentadas dez vezes
Para enfrentar esses desafios, a equipe desenvolveu o MD-FSS, que acelera drasticamente a medição da função de dispersão pontual (PSF) – a imagem tridimensional de um objeto pontual sob o microscópio. Este método inovador direciona múltiplos feixes de laser fracos separados espacialmente ao lado de um forte feixe primário para gerar interferência não linear dentro do cérebro. Cada feixe é codificado em uma frequência única e transporta informações espaciais distintas.
Através da decodificação paralela via demodulação de fase digital – uma técnica poderosa para extrair sinais fracos de fundos ruidosos – o sistema alcança medições de PSF em menos de 0,1 segundos, mais de dez vezes mais rápido que os métodos anteriores, enquanto rastreia a atividade cerebral dinâmica e produz imagens nítidas e precisas.
A resolução da microscopia multifotônica é centenas a milhares de vezes maior do que a dos métodos convencionais, como EEG e CT, permitindo a observação de neurônios individuais, células imunológicas e até mesmo das estruturas capilares mais finas e suas funções.
A espessura e a densidade do crânio absorvem e dispersam a luz que entra, o que limita severamente a capacidade de penetração da microscopia de dois fótons. Mesmo em regiões cerebrais superficiais, a qualidade da imagem é degradada, resultando em baixo desempenho de imagem. Em contraste, a microscopia óptica adaptativa de três fótons permite imagens in vivo através do crânio. Crédito: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-64251-y
Ao integrar o MD-FSS com a microscopia multifotônica para desenvolver a “Microscopia de Três Fótons de Óptica Adaptativa”, a equipe de pesquisa demonstrou a capacidade da tecnologia de rastrear mudanças funcionais nas células imunológicas do cérebro, medir o fluxo sanguíneo nos menores vasos cerebrais, monitorar a atividade neuronal durante o processamento cognitivo e sensorial e capturar interações entre as células cerebrais e a vasculatura.
O professor Qu disse: “Essas observações detalhadas, quase não invasivas e em tempo real em animais acordados eram anteriormente impossíveis. Com a rápida capacidade de correção de aberrações desta nova tecnologia de óptica adaptativa, imagens de alta qualidade agora são possíveis sem danificar o cérebro do sujeito.
“Agora podemos capturar a dinâmica neuronal, glial e vascular na resolução subcelular em seu estado fisiológico natural – livre dos efeitos confusos da anestesia. Esta descoberta abre caminhos inteiramente novos para a compreensão da função cerebral tanto na saúde quanto na doença.”
Uma plataforma escalável para a neurociência do futuro
MD-FSS foi projetado para escalabilidade futura. O sistema atual, que utiliza oito feixes para medição de PSF, pode ser expandido para dezenas ou mesmo centenas, permitindo imagens mais rápidas e mais amplas à medida que os avanços nas tecnologias de controle de luz continuam a surgir.
O professor Qu acrescentou: “Nosso trabalho mais recente representa muito mais do que uma melhoria incremental. Agora temos uma plataforma versátil que pode ser dimensionada para imagens mais rápidas, expandida para regiões maiores do cérebro e integrada a ensaios funcionais.
“Isso capacitará os neurocientistas a investigar eventos cerebrais rápidos, interações de redes complexas e progressão de doenças de maneiras que antes eram tecnicamente inatingíveis – abrindo a porta para descobertas transformadoras em aprendizagem, memória, saúde mental e distúrbios neurológicos”.
Mais informações:
Zhentao She et al, Óptica adaptativa rápida permitindo imagens cerebrais quase não invasivas de alta resolução em camundongos com comportamento acordado, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-64251-y
Fornecido pela Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong
Citação: Imagens de alta velocidade rastreiam a atividade de células cerebrais vivas em ratos acordados (2025, 10 de novembro) recuperadas em 10 de novembro de 2025 em https://medicalxpress.com/news/2025-11-high-imaging-tracks-brain-cell.html
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