OpenDrive: An Open-Source Microdrive for Large-Scale Neurophysiology

Para compreender a mente humana, os cientistas frequentemente escutam os sussurros elétricos de células cerebrais individuais. Durante décadas, essa escuta exigiu um trabalho delicado e manual, no qual os pesquisadores inseriam fios finos no cérebro, um por um, para captar os sinais de apenas alguns neurônios por vez. Uma nova geração de ferramentas mudou esse cenário. Estas são sondas longas e finas, repletas de centenas de minúsculos sensores, capazes de registrar milhares de neurônios simultaneamente nas profundezas do cérebro. Essa tecnologia oferece a chance de ouvir a conversa completa do cérebro, em vez de apenas algumas vozes isoladas. No entanto, essas novas sondas são frágeis e exigem um nível de precisão que o equipamento padrão de laboratório não consegue fornecer facilmente. Elas devem ser baixadas verticalmente, sem oscilar, e mantidas perfeitamente imóveis por horas. Sem uma ferramenta especializada para guiá-las, o risco de danificar a sonda ou o cérebro é alto, e a capacidade de usar esses dispositivos poderosos em animais de grande porte, como macacos, permanece limitada.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts construiu uma solução para este problema chamada OpenDrive. É uma máquina feita sob medida, projetada especificamente para descer essas sondas delicadas nos cérebros de animais de grande porte com extrema estabilidade. A equipe criou um sistema que não é apenas altamente preciso, mas também aberto para que qualquer pessoa possa construir e melhorar, contrastando fortemente com máquinas comerciais caras que são difíceis de modificar. O trabalho deles demonstra que um dispositivo de baixo custo, construído pela comunidade, pode ter um desempenho tão bom quanto, e em alguns aspectos melhor do que, as ferramentas caras atualmente vendidas por empresas de instrumentos científicos. Ao compartilhar seus designs e softwares livremente, os pesquisadores esperam remover as barreiras financeiras e técnicas que impediram muitos laboratórios de utilizar essa tecnologia transformadora.

O sistema OpenDrive consiste em duas partes principais: um console de controle e os próprios microdrives. O console atua como o cérebro da operação, recebendo comandos de uma tela de computador e enviando-os aos drives. Os drives são pequenos motores leves que elevam e descem fisamente as sondas. O que torna este design único é o seu foco em simplicidade e estabilidade. Os drives são construídos em torno de um trilho de metal reto, semelhante ao trilho suave usado em gavetas deslizantes, o que força a sonda a se mover em uma linha perfeitamente reta. Esse design evita que a sonda balance ou gire conforme entra no cérebro. O drive inteiro pesa apenas cerca de 30 gramas, aproximadamente o peso de uma maçã pequena, o que ajuda a evitar que ele sacuda a cabeça do animal durante o registro. O sistema também é projetado para segurar múltiplas sondas ao mesmo tempo; os pesquisadores conseguiram descer até nove sondas simultaneamente no cérebro de um único animal, permitindo que ouçam muitas regiões cerebrais diferentes ao mesmo tempo.

Para provar que sua máquina funcionava, a equipe submeteu o OpenDrive a uma série de testes rigorosos contra duas populares máquinas comerciais. Eles fixaram um laser na parte móvel de cada máquina e observaram onde o feixe de laser pousava em um sensor enquanto a máquina descia. Se a máquina oscilasse, o ponto do laser dançaria em um círculo amplo. As máquinas comerciais mostraram oscilações significativas, com o ponto do laser movendo-se consideravelmente fora do curso. Em contraste, o OpenDrive manteve o ponto do laser quase perfeitamente imóvel, movendo-se menos de 3 micrômetros. Isso significa que a nova máquina reduziu o balanço lateral em mais de 95 por cento em comparação com as opções comerciais. A equipe também mediu a precisão com que as máquinas moviam uma distância específica. Eles descobriram que o OpenDrive era tão preciso quanto a melhor máquina comercial e muito mais exato que a outra, com erros tão pequenos que eram mal mensuráveis.

Além dos testes de laboratório, os pesquisadores usaram o OpenDrive em experimentos reais com um macaco rhesus. Eles desceram com sucesso as sondas em várias partes do cérebro, incluindo estruturas profundas como o tálamo e o cerebelo, bem como as camadas externas do cérebro. Nessas sessões, a máquina manteve as sondas estáveis por horas, permitindo que a equipe registrasse a atividade de milhares de neurônios sem que os sinais saíssem de foco. O sistema também inclui um software que permite aos pesquisadores ver exatamente onde a sonda está dentro do cérebro em tempo real, sobrepondo o caminho da sonda a um mapa 3D do cérebro do animal. Esse guia visual ajuda os cientistas a mirar em alvos específicos com confiança.

A significância deste trabalho estende-se além do desempenho da própria máquina. Por anos, as ferramentas necessárias para esse tipo de pesquisa foram caras e fechadas, o que significava que, se um laboratório quisesse alterar uma peça ou corrigir um problema, teria que esperar pelo fabricante ou comprar uma nova e dispendiosa unidade. O OpenDrive é diferente porque cada parte dele é de código aberto. As plantas, o código e as instruções estão todos disponíveis para qualquer pessoa baixar, construir e melhorar. O custo total para construir um sistema completo é de cerca de 5.000 dólares, uma fração dos 50.000 dólares necessários para sistemas comerciais comparáveis. Ao tornar essas ferramentas acessíveis e modificáveis, os pesquisadores estão convidando a comunidade científica global a colaborar no próprio hardware. Eles acreditam que, quando os cientistas podem compartilhar e melhorar suas ferramentas abertamente, o ritmo das descobertas acelera, permitindo que mais laboratórios explorem o funcionamento complexo do cérebro com a tecnologia mais avançada disponível.