Micro LEDs inalámbricos que controlan el comportamiento de los ratones

Un nuevo dispositivo electrónico y flexible permite grabar las señales del cerebro de forma no invasiva y durante más tiempo.

Entender cómo funciona el cerebro, o cómo falla,  depende del descifrado de los patrones de señales eléctricas producidas por las neuronas. Para grabarlas hay que insertar electrodos dentro del tejido, pero los rígidos dispositivos utilizados actualmente para grabar estas señales, o de forma terapéutica para estimular una zona concreta, pueden dañar el cerebro y provocar una repuesta inmunitaria, y suelen funcionar durante un corto período de tiempo.

Ahora investigadores han demostrado que un nuevo dispositivo electrónico y flexible, que puede insertarse mediante una inyección, representa una alternativa más innocua.

A corto plazo, la tecnología podría proporcionar un mayor entendimiento acerca de cómo la actividad eléctrica de ciertos circuitos, o redes de neuronas, se relacionan con funciones, como la formación de un recuerdo duradero. También podría arrojar algo de luz sobre las disfunciones del cerebro, como la esquizofrenia, o la enfermedad de Parkinson (ver El lenguaje del cerebro es una ‘Torre de Babel’ y Descifrando la locura). Más adelante, el concepto podría dar lugar a mejores técnicas de estimulación terapéutica para tratar enfermedades neurológicas degenerativas, o un interfaz cerebro-máquina estable que pudiese ayudar a los discapacitados a realizar acciones que normalmente impide su condición, como mover extremidades protésicas o comunicarse (ver Experimentar con los pensamientos).

Uno de los actuales usos terapéuticos de electrónica implantada se llama estimulación cerebral profunda, que ya dispone de la aprobación de la FDA (Administración de Alimentos y Medicamentos de EEUU, de sus siglas en inglés), y actualmente se emplea para tratamientos de la enfermedad de Parkinson. La terapia incluye la inserción de electrodos en determinadas zonas del cerebro y el envío de impulsos eléctricos para corregir impulsos anormales. Este enfoque también está siendo estudiado para su aplicación como tratamiento de otras disfunciones, como la epilepsia.

La tecnología actual es limitada, no por la electrónica, que ya es «muy potente», sino porque el interfaz que conecta el tejido cerebral y la electrónica dista mucho de ser ideal, según explica el profesor de química y biología química de la Universidad de Harvard (EEUU), Charles Lieber. Los electrodos que pueden implantarse actuales son demasiado grandes y rígidos, y este «desajuste mecánico» provoca daños en los tejidos y una respuesta inmunitaria, dice.

Con el paso del tiempo estos dispositivos tienden a perder la capacidad de grabar ni estimular el área objetivo. Los investigadores sólo disponen de días o semanas para realizar grabaciones. Los implantes de estimulación cerebral profunda a menudo deben reposicionarse o ajustarse, y normalmente no duran más de un par de años.

En años recientes, los laboratorios han avanzado mucho en el diseño de nuevos tipos de dispositivos electrónicos implantables, hechos de materiales más flexibles y biocompatibles (ver Micro LEDs inalámbricos que controlan el comportamiento de los ratones), pero ninguno ha eliminado estos inconvenientes, dice Lieber. La nueva estructura nanoeléctrica de malla que ha diseñado el grupo de Lieber se parece mucho más al tejido biológico con el que debe actuar de interfaz, afirma. Sus componentes son del tamaño de las células, o más pequeños, y, según los investigadores, la malla supera por varios ordenes de magnitud a cualquier dispositivo electrónico implantable anterior en cuestión de flexibilidad.  

El equipo concibió el diseño hace un par de años con la ingeniería de tejidos en mente. Desarrollaron una estructura parecida a un andamio para el cultivo de células en tres dimensiones, de forma similar al proceso natural dentro del cuerpo, y también para el alojamiento de sensores electrónicos para la medición de esas células. Esa demostración indicó que la tecnología podría emplearse para la medición de actividad celular.

Ahora han demostrado que pueden utilizar una jeringuilla para inyectar el andamio de malla en áreas objetivas del cerebro de ratones vivos. También han demostrado la capacidad de grabar señales procedentes de los implantes inyectados con la conexión de un alambre a una sección de la malla que permanece fuera del cuerpo. Las pruebas muestran un índice muy bajo de respuestas dañinas, lo que sugiere que la tecnología se muestra «muy prometedora» para el mapeo a largo plazo de la actividad cerebral.

Fabricada mediante técnicas convencionales de fotolitografía, la malla se compone de alambres y polímeros a nanoescala. A esta malla se puede incorporar diminutos dispositivos electrónicos, como sensores y electrodos estimuladores. Un andamio que mide un centímetro y medio de ancho se puede doblar hasta conseguir un tamaño lo suficientemente pequeña para que sea inyectada por una jeringuilla cuyo diámetro mide tan sólo cientos de micrómetros. Una vez se introduzca en el cuerpo, se despliega para adaptarse al entorno 3D. Cuando encuentra una cavidad ventricular dentro del cerebro, por ejemplo, se desdobla para llenar el espacio, formando un puente entre un borde de la cavidad y el otro. Con el tiempo, las neuronas se integran con la malla, ofreciendo la oportunidad de grabar o estimular muchas células de un mismo área. Las células y la malla tienen «una interacción muy positiva», dice Lieber, y las neuronas «parecen contentas, al menos con una escala de tiempo de un mes».

Lieber dice que su equipo ha observado, en experimentos no publicados, que es posible grabar durante varios meses, desde las mismas neuronas específicas, sin degradación de la señal. Según el investigador, la próxima meta es demostrar que puede hacerse lo mismo en un período de seis meses a un año en ratones antes de probarlo en simios, y finalmente en humanos.

 

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