Los investigadores de la Universidad de Brown han creado un nuevo tipo de dispositivo implantable optoelectrónico para acceder a los microcircuitos cerebrales, sinergizando una técnica que permite a los científicos controlar la actividad de las células del cerebro utilizando pulsos de luz. La invención, descrita en la revista Métodos de la naturaleza , es una micro sonda cortical que puede estimular ópticamente múltiples objetivos neuronales mediante patrones específicos a escala micrométrica, al mismo tiempo que registra los efectos de esa estimulación en los microcircuitos neuronales subyacentes de interés con una precisión de milisegundos.
"Creemos que esto abre las ventanas", dijo Joonhee Lee, investigador asociado senior en el laboratorio del profesor Arto Nurmikko en la Escuela de Ingeniería de Brown y uno de los autores principales del nuevo artículo. "La capacidad de perturbar rápidamentecircuitos neuronales de acuerdo con patrones espaciales específicos y, al mismo tiempo, reconstruir cómo se perturban los circuitos involucrados, es a nuestro juicio un avance sustancial ".
Presentado por primera vez alrededor de 2005, la optogenética ha enriquecido la capacidad de los científicos que buscan comprender la función cerebral a nivel neuronal. La técnica implica la ingeniería genética de neuronas para expresar proteínas sensibles a la luz en sus membranas. Con esas proteínas expresadas, se pueden usar pulsos de luzpara promover o suprimir la actividad en esas células particulares. El método brinda a los investigadores, en principio, una capacidad sin precedentes para controlar células cerebrales específicas en momentos específicos.
Pero hasta ahora, la estimulación optogenética simultánea y el registro de la actividad cerebral rápidamente a través de múltiples puntos dentro de un microcircuito cerebral de interés ha resultado difícil. Hacerlo requiere un dispositivo que pueda generar un patrón espacial de pulsos de luz y detectar los patrones dinámicos de electricidadreverberaciones generadas por la actividad celular excitada. Intentos anteriores de hacer esto involucraron dispositivos que improvisaron componentes separados para la emisión de luz y la detección eléctrica. Estas sondas eran físicamente voluminosas, no ideales para la inserción en el cerebro. Y porque los emisores y los sensores eran necesariamenteseparados por cientos de micrómetros, una distancia considerable, el vínculo entre la estimulación y la señal grabada era ambiguo.
El nuevo dispositivo compacto e integrado desarrollado por el laboratorio de Nurmikko comienza con las ventajas únicas que otorga un llamado semiconductor de banda ancha llamado óxido de zinc. Es ópticamente transparente pero capaz de conducir fácilmente una corriente eléctrica.
"Muy pocos materiales tienen ese par de propiedades físicas", dijo Lee. "La combinación permite estimular y detectar con el mismo material".
Joonhee Lee, con el profesor asistente de investigación Ilker Ozden y el profesor Yoon-Kyu Song en la Universidad Nacional de Seúl en Corea, desarrollaron un nuevo método de microfabricación con Nurmikko para dar forma al material en un chip monolítico de solo unos pocos milímetros cuadrados con dieciséis micrómetros de tamaño"optoelectrodos" con forma de clavija, cada uno capaz de suministrar pulsos de luz y detectar corriente eléctrica. El conjunto de optoelectrodos permite que el dispositivo se acople a microcircuitos neuronales compuestos por muchas neuronas en lugar de neuronas individuales.
La capacidad de estimular y registrar a nivel de red en escalas espaciales y temporales en las que operan es clave, dice Nurmikko. Las funciones cerebrales son impulsadas por circuitos neuronales en lugar de neuronas individuales.
"Por ejemplo, cuando muevo mi mano, ese es un ejemplo de acción impulsada por una actividad específica a nivel de red en el cerebro", dijo. "Nuestro nuevo enfoque de dispositivo brinda a los científicos e ingenieros una herramienta para aplicar todo el poder de la optogenéticacomo un medio de estimulación neural, al tiempo que proporciona los medios para leer la actividad de redes perturbadas en múltiples puntos con alta precisión espacial y resolución de tiempo ".
Ozden dirigió la prueba inicial del dispositivo en modelos de roedores. Los investigadores observaron en qué medida las diferentes intensidades de luz podrían estimular la actividad de la red. Las pruebas mostraron que el aumento de la potencia óptica condujo a un reclutamiento distinto de circuitos neuronales que revelaban conectividad funcional en el objetivored.
"Repasamos un rango de potencia óptica que era grande, más de tres órdenes de magnitud, y al hacerlo obtuvimos un rango de respuestas relacionadas con la red, en particular podríamos replicar un patrón de actividad que ocurre naturalmente en el cerebro", Dijo Ozden." Nos dio una nueva visión de cómo opera la optogenética a nivel de red. Esto nos anima a seguir adelante y ampliar el repertorio y la aplicación de la tecnología del dispositivo ".
El grupo de Nurmikko junto con el laboratorio de Song en Seúl planea continuar el desarrollo del dispositivo, en última instancia, incluir un acceso a través de medios inalámbricos. Sus próximos pasos anticipan el uso de la tecnología del nuevo dispositivo como implante crónico en primates no humanos en potencialmente cientosde puntos y, dependiendo del progreso en la investigación mundial sobre optogenética por delante, tal vez incluso un día en humanos.
"Al menos, los bloques de construcción iniciales están aquí", dijo Nurmikko, quien concibió la idea con su colega coreano Song.
El trabajo fue apoyado por el programa de REPARACIÓN de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa N66001-10-C-2010 y la Fundación Nacional de Ciencias CBET-1402803 y CBET-1264816.
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Materiales proporcionados por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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