O que é eletrofisiologia?

Por Britta Frenzel - 30 Maio, 2024

A eletrofisiologia é o estudo das propriedades e atividades elétricas em sistemas biológicos, especialmente células excitáveis, como neurônios e células musculares. Ela envolve a medição, o registro e a análise de sinais elétricos gerados por essas células para fornecer informações sobre seu funcionamento e sua comunicação.

Vamos examinar em detalhes a eletrofisiologia, incluindo sua história, seu futuro e como ela é usada em técnicas experimentais em vários campos.

História da eletrofisiologia

O campo da eletrofisiologia tem uma história rica, que vem desde os séculos XVIII e XIX, e os primeiros casos são marcados por descobertas significativas na compreensão das propriedades elétricas de organismos vivos.

Sem dúvida, um dos experimentos mais revolucionários foi realizado por Luigi Galvani, um médico italiano, no final do século XVIII. Nele, Galvani observou que os músculos do sapo contraíam quando eram tocados por um instrumento de metal enquanto estava em contato com outro objeto de metal.²

Ele interpretou essa evidência como “eletricidade animal”, o que contribuiu para a compreensão geral do fenômeno bioelétrico. Os primeiros casos da eletrofisiologia, como o experimento de Galvani, serviram de base para a pesquisa moderna no campo, levando a um entendimento mais profundo das propriedades elétricas de organismos vivos e sobre como pesquisá-las.

No início do século ^XXI, os cientistas dependiam muito da gravação de campo, pois era muito difícil localizar uma célula única. Com o microscópio, os cientistas podiam localizar a célula e, com os avanços no design óptico, como o contraste de interferência diferencial de infravermelho (IR-DIC), os pesquisadores podiam visualizar com mais profundidade o tecido vivo.

Essa configuração de microscópio combinada com uma câmera de alta velocidade permitiu o uso de métodos, como a formação de imagens de cálcio, para observar a dinâmica celular interna em tempo real. Agora, soluções como o microscópio vertical de eletrofisiologia de platina fixa para soluções de formação de imagem mais avançadas, como microscópios confocais e multifóton de escaneamento a laser, estão revolucionando o campo da eletrofisiologia de pesquisa avançada.

Cérebro de rato H-line sob o microscópio

A seção coronária de um cérebro de rato H-line, azul claro; DAPI (núcleos celulares), verde; YFP (neurônio), amarelo; astrócitos Cy3, magenta; AlexaFluor 750 (microtúbulo). Um total de 77 posições XYZ de quatro canais (11 × 7) foram adquiridas usando um escâner ressonante de 1K em 16 minutos para criar a imagem montada, que costumava exigir duas horas usando um escâner galvanômetro. Amostra cortesia de Takako Kogure e Atsushi Miyawaki, Laboratório de dinâmica da função celular, RIKEN CBS.

Para que a eletrofisiologia é usada?

No cenário de pesquisa atual, a eletrofisiologia pode ser encontrada em campos comuns, como a cardiologia, neurociência e muitas outras. Na cardiologia, um uso comum da eletrofisiologia é o eletrocardiograma, ou ECG.

O ECG é um dispositivo de diagnóstico eletrofisiológico que mede e registra a atividade elétrica do coração. Os eletrodos colocados na pele detectam os sinais elétricos gerados pelas células cardíacas. O ECG oferece informações valiosas sobre o ritmo, a taxa e a função elétrica geral do coração, sendo uma ferramenta essencial para diagnóstico e gestão de doenças cardiovasculares.

No contexto da neurociência, a eletrofisiologia é frequentemente usada para estudar as propriedades elétricas dos neurônios, incluindo como eles geram e transmitem sinais elétricos.

Há duas abordagens principais na eletrofisiologia patch-clamp: intracelular e extracelular. A eletrofisiologia intracelular envolve a medição do potencial elétrico ao longo da membrana de uma única célula. Isso oferece informações detalhadas sobre o potencial de membrana da célula e das alterações que ocorrem durante atividades celulares, como potenciais de ação.

O potencial de membrana é uma propriedade intrínseca de todas as células que resulta do excesso de carga negativa ou positiva em um dos lados da membrana celular.¹ Um potencial de ação é uma despolarização e repolarização elétrica breve, mas grande, da membrana plasmática do neurônio causada por troca de íons de carga positiva.¹

A gravação patch clamp é amplamente usada para estudar a atividade elétrica de células individuais, especialmente neurônios. Ela envolve a colocação de um eletrodo de micropipeta de vidro contra a membrana celular para formar uma vedação firme, que permite medir as mudanças no potencial de membrana com alta precisão. O patch-clamping pode ser realizado em configurações de célula inteira, anexado à célula, de dentro para fora e de fora para fora, cada uma adequada para uma finalidade experimental diferente.

Configurações de patch clamp para formação de imagem de eletrofisiologia de células individuais

Configurações e gravação de patch clamp. (A) Anexado à célula: permite medir a corrente de um único canal. (B) Célula inteira: permite medir a corrente de uma célula inteira. (C) De dentro para fora: permite medir a corrente ao longo de um pequeno trecho em que o lado do citosol está voltado para fora. (D) De fora para fora: permite medir a corrente ao longo de um pequeno trecho em que o lado extracelular está voltado para fora. Fonte da imagem: Ahmadi, Shirin et al. 2023 (Frontiers).³

A gravação de grampeamento de tensão é um método usado para medir e controlar o potencial de membrana de uma célula ao mesmo tempo que mede simultaneamente a corrente iônica que fui através da membrana celular.² Essa técnica permite que os pesquisadores estudem as propriedades dos canais de íons e receptores para saber mais sobre o mecanismo que causa um potencial de ação.

A gravação de grampeamento de corrente envolve injetar corrente na célula ao mesmo tempo que se mede as alterações no potencial de membrana. Essa técnica é usada para estudar as propriedades intrínsecas dos neurônios, como o potencial de repouso da membrana e os padrões de acionamento de potencial de ação.

Por outro lado, a eletrofisiologia extracelular envolve a medição da atividade elétrica de várias células ou ao longo de uma área maior. Essa abordagem é comumente usada para estudar a atividade geral e a interação de redes neurais. As matrizes de vários eletrodos, ou MEAs, permitem gravações simultâneas de vários locais, fornecendo informações sobre a atividade no nível da rede.

Para resumir, a diferença entre a eletrofisiologia intracelular e extracelular está no local do eletrodo de gravação em relação à membrana celular. As gravações intracelulares oferecem informações com relação às propriedades elétricas de células individuais, enquanto as gravações extracelulares capturam informações da atividade coletiva de um grupo de células. Ambas as abordagens são muito valiosas para entender a função dos sistemas biológicos.

Futuro da eletrofisiologia

O futuro da eletrofisiologia reserva possibilidades empolgantes geradas pelos avanços permanentes na tecnologia e metodologia. Estamos vendo a necessidade de avanços na análise de dados e modelagem computacional, à medida que a complexidade dos conjuntos de dados de eletrofisiologia aumenta. Ferramentas de aprendizado de máquina provavelmente terão um papel fundamental para extrair insights significativos de grandes conjuntos de dados. O desenvolvimento de dispositivos em miniatura e sem fio já começou e continuará a permitir um monitoramento minimamente invasivo da atividade elétrica no corpo.

A optogenética é um exemplo de tecnologia de ponta que depende da microscopia e da óptica para controlar a atividade de células específicas, normalmente neurônios, com luz. O método envolve a modificação genética de neurônios para introduzir canais de proteína sensíveis à luz. Uma vez expressado, ao iluminar uma região definida da célula, a concentração de íons pode mudar localmente, e os efeitos podem ser observados em tempo real com um microscópio.¹

Esse nível de insight e visibilidade na atividade celular abre oportunidades para o estudo de circuitos neurais, funções do cérebro e desordens neurológicas, assim como o desenvolvimento de intervenções terapêuticas.4 Em geral, o futuro da eletrofisiologia reserva promessas incríveis de avanço em nossa compreensão dos sistemas biológicos, diagnósticos e tratamento de doenças.

Mapa de reação de estimulação tridimensional para medição de resposta eletrofisiológica

Exemplo de mapa de reação de estimulação tridimensional para medir a resposta eletrofisiológica. Para alcançar estimulação luminosa a laser muito específica, o campo de observação é dividido em uma grade e o laser ilumina cada área em uma sequência pseudoaleatória para evitar a estimulação sequencial de áreas adjacentes. Um mapa de reação de estimulação é desenhado com base em um registro de fixação de membranas ou intensidade de formação de imagem. A integração de um piezo porta-objetiva opcional estende o mapa de reação para 3D, com estimulação distribuída em profundidades diferentes do plano de formação de imagem. Os dados de imagem são uma cortesia do Centro Haruo Kasai de Biologia de Doenças e Medicina Integrativa, Faculdade de Medicina, Universidade de Tóquio. Capturada em um microscópio de escaneamento a laser FLUOVIEW.

Tópicos principais e eletrofisiologia

No fim, a eletrofisiologia está na vanguarda da nossa compreensão da complexidade dos organismos vivos, especialmente nas áreas de neurociência e cardiologia. Ao desvendar os mistérios da atividade elétrica celular, os pesquisadores podem conseguir informações sobre os mecanismos fundamentais por trás da comunicação neural, contração de músculos e muitos outros processos biológicos.

Desde os experimentos pioneiros dos primeiros cientistas, como Galvani, até as tecnologias modernas e revolucionárias atuais, o campo da eletrofisiologia passou por notáveis inovações geradas pela colaboração e busca do conhecimento. Por meio da exploração permanente, podemos conseguir insights ainda mais profundos sobre a atividade elétrica que alimenta o corpo humano.