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Nuevo dispositivo permite controlar neuronas con luz sin necesidad de cables ni baterías

Un estudio reciente describe un nuevo método optogenético que elimina la necesidad de fibras ópticas voluminosas a través de un implante inalámbrico que no requiere baterías, otorgando a los investigadores un control más preciso de la intensidad lumínica y facilitando la estimulación simultánea de múltiples áreas cerebrales.

La optogenética es una técnica biológica que utiliza la luz para activar o desactivar grupos específicos de neuronas en el cerebro. Por ejemplo, los investigadores pueden usar la estimulación optogenética para restablecer el movimiento en caso de parálisis o, en el futuro, apagar las áreas del cerebro o la columna vertebral que causan dolor, eliminando la necesidad y la dependencia cada vez mayor de medicamentos opioides y otros analgésicos.

"Estamos creando estas herramientas para entender cómo funcionan las diferentes partes del cerebro", comentó Philipp Gutruf, autor principal de la investigación y profesor de ingeniería biomédica en la Universidad de Arizona. "La ventaja de la optogenética es que tiene especificidad celular: puedes dirigirte a grupos específicos de neuronas e investigar su función y relación en el contexto de todo el cerebro".

En la optogenética, los investigadores cargan neuronas específicas con proteínas llamadas opsinas, que convierten la luz en potenciales eléctricos que conforman la función de una neurona. Cuando un investigador ilumina un área del cerebro, activa solo las neuronas cargadas con opsina.

Las primeras iteraciones de optogenética involucraban el envío de luz al cerebro mediante fibras ópticas, lo que significaba que los sujetos de prueba estaban físicamente atados a una estación de control. Por ello, los científicos desarrollaron una técnica carente de baterías utilizando electrónica inalámbrica, lo que significaba que los sujetos podían moverse libremente.

Sin embargo, estos dispositivos todavía tenían sus propias limitaciones: eran voluminosos y solían estar pegados visiblemente fuera del cráneo, no permitían un control preciso de la frecuencia o intensidad de la luz, y solo podían estimular un área del cerebro a la vez .

Tomando más control y menos espacio

"Con esta investigación, fuimos dos o tres pasos más allá", aseguró Gutruf. "Pudimos implementar el control digital sobre la intensidad y la frecuencia de la luz que se emite, y los dispositivos están demasiado miniaturizados, por lo que pueden implantarse en el cuero cabelludo. También podemos estimular de forma independiente múltiples lugares en el cerebro del mismo sujeto, lo que tampoco era posible antes".

La capacidad de controlar la intensidad de la luz es crítica, ya que permite a los investigadores decidir exactamente a qué parte del cerebro afectará la luz: cuanto más brillante sea la luz, más lejos llegará. Además, controlar la intensidad lumínica significa controlar el calor generado por las fuentes de luz y evitar la activación accidental de neuronas que se encienden por el calor.

Los nuevos implantes inalámbricos, sin batería, son alimentados por campos magnéticos oscilantes externos y, a pesar de sus capacidades avanzadas, no son significativamente más grandes o pesados que sus versiones previas. Además, un nuevo diseño de antena ha eliminado un problema que enfrentaban las versiones anteriores de dispositivos optogenéticos, en donde la intensidad de la señal que se transmitía al dispositivo variaba según el ángulo del cerebro: un sujeto giraba su cabeza y la señal se debilitaba.

"Este sistema tiene dos antenas en un gabinete, en el cual cambiamos la señal de un lado a otro muy rápidamente para poder cargar el implante sin importar la orientación", dijo Gutruf. "En el futuro, esta técnica podría brindar implantes sin batería que otorguen estimulación ininterrumpida sin la necesidad de retirar o reemplazar el dispositivo, lo que resultaría en procedimientos menos invasivos que los marcapasos o las técnicas de estimulación actuales".

Los dispositivos se implantan con un procedimiento quirúrgico simple similar a las cirugías en las que los humanos están equipados con neuroestimuladores o "marcapasos cerebrales". No causan efectos adversos y su funcionalidad no se degrada en el cuerpo con el tiempo. Esto podría tener implicaciones para dispositivos médicos como marcapasos, que en hoy en día deben reemplazarse cada cinco o quince años.

El trabajo también demostró que los animales a los que se les implantaron estos dispositivos pueden ser sometidos a estudios de imagen de forma segura, ya sea una tomografía computarizada (TC) o una resonancia magnética nuclear (RM), que permiten obtener información avanzada sobre parámetros clínicamente relevantes, como el estado del hueso y el tejido y la colocación del dispositivo.

 

Vía: University of Arizona - College of Engineering