El profesor de ingeniería biomédica de la Universidad de Arizona, Philipp Gutruf, es el primer autor del artículo Sistemas optoelectrónicos totalmente implantables para el funcionamiento multimodal sin baterías en la investigación en neurociencia, publicado en Electrónica de la naturaleza .
La optogenética es una técnica biológica que usa la luz para encender o apagar grupos de neuronas específicos en el cerebro. Por ejemplo, los investigadores pueden usar la estimulación optogenética para restaurar el movimiento en caso de parálisis o, en el futuro, para apagar las áreas del cerebro.cerebro o columna vertebral que causan dolor, eliminando la necesidad y la creciente dependencia de opioides y otros analgésicos.
"Estamos creando estas herramientas para comprender cómo funcionan las diferentes partes del cerebro", dijo Gutruf. "La ventaja de la optogenética es que tiene especificidad celular: puede apuntar a grupos específicos de neuronas e investigar su función y relación en elcontexto de todo el cerebro. "
En optogenética, los investigadores cargan neuronas específicas con proteínas llamadas opsinas, que convierten la luz en potenciales eléctricos que constituyen la función de una neurona. Cuando un investigador ilumina un área del cerebro, activa solo las neuronas cargadas con opsina.
Las primeras iteraciones de la optogenética implicaron enviar luz al cerebro a través de fibras ópticas, lo que significaba que los sujetos de prueba estaban atados físicamente a una estación de control. Los investigadores desarrollaron una técnica sin baterías utilizando electrónica inalámbrica, lo que significaba que los sujetos podían moverse libremente.
Pero estos dispositivos aún tenían sus propias limitaciones: eran voluminosos y, a menudo, se colocaban 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 enun momento.
Tomando más control y menos espacio
"Con esta investigación, fuimos dos o tres pasos más allá", dijo Gutruf. "Pudimos implementar un control digital sobre la intensidad y la frecuencia de la luz que se emite, y los dispositivos están muy miniaturizados, por lo que pueden implantarse bajoel cuero cabelludo. También podemos estimular de forma independiente varios lugares en el cerebro del mismo sujeto, lo que tampoco era posible antes ".
La capacidad de controlar la intensidad de la luz es fundamental porque permite a los investigadores controlar exactamente a qué parte del cerebro está afectando la luz; cuanto más brillante sea la luz, más lejos llegará. Además, controlar la intensidad de la luz significa controlar lacalor generado por las fuentes de luz, y evitando la activación accidental de neuronas que son activadas por calor.
Los implantes inalámbricos sin batería funcionan con campos magnéticos oscilantes externos y, a pesar de sus capacidades avanzadas, no son significativamente más grandes ni más pesados que las versiones anteriores. Además, un nuevo diseño de antena ha eliminado un problema que enfrentaban las versiones anteriores dedispositivos optogenéticos, en los que la fuerza de la señal que se transmite al dispositivo varía según el ángulo del cerebro: un sujeto gira la cabeza y la señal se debilita.
"Este sistema tiene dos antenas en un gabinete, por lo que cambiamos la señal de un lado a otro muy rápidamente para poder alimentar el implante en cualquier orientación", dijo Gutruf. "En el futuro, esta técnica podría proporcionar implantes sin batería queproporcionan estimulación ininterrumpida sin la necesidad de quitar o reemplazar el dispositivo, lo que resulta 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 a los sujetos y su funcionalidad no se degrada en el cuerpo con el tiempo. Esto podríatienen implicaciones para dispositivos médicos como marcapasos, que actualmente deben reemplazarse cada cinco a 15 años.
El documento también demostró que los animales a los que se les implantaron estos dispositivos se pueden obtener imágenes de forma segura con tomografía computarizada o TC y resonancia magnética o IRM, que permiten conocimientos avanzados sobre parámetros clínicamente relevantes como el estado de los huesos y tejidos y lacolocación del dispositivo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Arizona . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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