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Los científicos han utilizado materiales blandos en la construcción de un implante de cerebro que tiene un décimo del espesor de un cabello humano y que puede controlar neuronas de forma inalámbrica, encendiendo luces e inyectando drogas

Los científicos han demostrado en un estudio que pueden determinar por control inalámbrico la dirección de avance de un ratón con sólo pulsar un botón. Investigadores de la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, crearon un implante de tejido de nueva generación con control inalámbrico que permite a los neurocientíficos inyectar drogas y encender luces en las neuronas profundas en los cerebros de los ratones. El revolucionario dispositivo es descrito en línea en la revista Cell. Su desarrollo fue parcialmente financiado por los Institutos Nacionales de Salud de EEUU.

“Esto abre un mundo de posibilidades para los científicos que estudian los circuitos cerebrales funcionando en un entorno más natural”, dice Michael R. Bruchas, Ph.D., profesor asociado de anestesiología y neurobiología en la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington y autor principal del estudio.

El laboratorio Bruchas estudia circuitos que controlan una variedad de trastornos, incluyendo el estrés, la depresión, la adicción y dolor. Por lo general, los científicos que estudian estos circuitos tienen que elegir entre inyectar drogas a través de relativamente voluminosos tubos de metal, y aplicar luz a través de cables de fibra óptica. Ambas opciones requieren cirugía que puede dañar partes del cerebro, e introducir condiciones experimentales que dificultan los movimientos naturales de los animales.

Para abordar estas cuestiones, Jae-Woong Jeong, Ph.D., bioingeniero antes en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, trabajó con Jordan G. McCall, Ph.D., un estudiante graduado en el laboratorio Bruchas, para construir un implante optofluídico controlable a distancia. El dispositivo está hecho de materiales blandos que tienen una décima parte del diámetro de un cabello humano y pueden entregar simultáneamente medicamentos y luces.

“Utilizamos poderosas estrategias de nano-fabricación para crear un implante que nos permite penetrar en el interior del cerebro con daños mínimos”, dijo John A. Rogers, Ph.D., profesor de ciencia de los materiales e ingeniería de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y autor principal. “Los dispositivos ultraminiaturizados como éste tienen un enorme potencial para la ciencia y la medicina.”

Con un espesor de 80 micrómetros y un ancho de 500 micrómetros, el implante optofluídico es más delgado que los tubos de metal, o cánulas, que los científicos utilizan típicamente para inyectar drogas. Cuando los científicos compararon el implante con una cánula típica encontraron que el implante daña y desplaza mucho menos tejido cerebral.

Los científicos probaron la capacidad de suministro de fármaco del dispositivo colocándolo quirúrgicamente en el cerebro de ratones. En algunos experimentos, demostraron que podían mapear los circuitos con precisión usando el implante para inyectar virus que marcar las células con colorantes genéticos. En otros experimentos, hicieron que los ratones caminen en círculos por medio de la inyección de un fármaco que imita la morfina en el área ventral tegmental (VTA), una región que controla la motivación y la adicción.

Los investigadores también probaron la capacidad combinanda del dispositivo de aplicar luz y medicamentos al hacer que ratones que tenían neuronas VTA sensibles a la luz se quedaran a un lado de una jaula comandando el implante para aplicar pulsos láser sobre las células. Los ratones perdieron esa preferencia cuando los científicos hicieron que el dispositivo inyectase simultáneamente un fármaco que bloquea la comunicación neuronal. En todos los experimentos, los ratones estaban a cerca de un metro de distancia de la antena de comandos.

“Este es el tipo de desarrollo revolucionario de herramientas que necesitan los neurocientíficos para mapear la actividad del circuito cerebral”, dijo James Gnadt, Ph.D., director del programa en el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos del NIH y Accidentes Cerebrovasculares (NINDS). “Está en consonancia con los objetivos de la Iniciativa BRAIN de NIH.”

Los investigadores fabricaron el implante utilizando técnicas de fabricación de chips semiconductores de computadora. Tiene espacio para hasta cuatro medicamentos y tiene cuatro diodos emisores de luz inorgánicos a microescala. Se les instaló un material expandible en la parte inferior de los depósitos de fármaco para controlar la aplicación. Cuando se eleva la temperatura en un calentador eléctrico debajo del depósito, la parte inferior se expande rápidamente y empuja el fármaco hacia el cerebro.

“Probamos al menos 30 prototipos diferentes antes de que uno finalmente funcionara”, dijo el Dr. McCall.

 


 

“Esto fue un verdadero esfuerzo interdisciplinario”, dijo el Dr. Jeong, quien ahora es profesor asistente de ingeniería eléctrica, computación y energía en la Universidad de Colorado en Boulder. “Tratamos de diseñar el implante para satisfacer algunas de las mayores necesidades insatisfechas de las neurociencias”.

En el estudio, los científicos proporcionan instrucciones detalladas para la fabricación del implante.

“Una herramienta sólo es buena si se usa,” dijo el Dr. Bruchas. “Creemos que un enfoque de la neurociencia en un proceso abierto, con fondos aportados grupalmente (crowdsourcing), es una gran manera de llegar a entender la circuitería de un cerebro normal y saludable.”

Fuente: Eurekalert, Scicasts y otros sitios. Aportado por Eduardo J. Carletti

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