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Investigadores crean un dispositivo para controlar neuronas de manera inalámbrica

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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Un dispositivo computacional orgánico con múltiples cerebros interconectados

Un grupo de científicos del Centro Médico de la Universidad de Duke, dirigido por el neurobiólogo Miguel Nicolelis, ha logrado lo que podría parecer imposible. A este logro lo han bautizado como Brainet, y se trata de una red compuesta por el cerebro de un grupo de monos, y en otro experimento de cuatro ratas

El equipo demuestra los avances en la interconexión de varios cerebros para resolver una tarea. Imagine un futuro en el que usted y varios miembros de su equipo de trabajo se conectan a una red mediante un lector de señal cerebral y colaboran para resolver una tarea. Este escenario de ciencia ficción está un pasito más cerca gracias al doble trabajo presentado esta semana por el neurocientífico de origen brasileño Miguel Nicolelis, en el que demuestra que monitorizando e interconectando la actividad cerebral de monos y ratas su equipo es capaz de que la suma de esfuerzos obtenga mejores resultados que los individuos.

Todo gracias al papel de los brainets. Como argumenta el principal autor y coordinador de los dos estudios publicados esta semana en la revista Scientific Reports, Miguel Nicolelis, «son redes formadas por múltiples cerebros animales que intercambian información en tiempo real mediante interfaces introducidos en sus cerebros».

Ambas líneas de investigación del «grupo de Miguel Nicolelis, uno de los pioneros en este campo, son muy interesantes ya que introducen un nuevo paradigma en el campo de las interfaces «cerebro-computador» o «cerebro-máquina», que implica la posibilidad de utilizar simultáneamente la actividad del cerebro de varios animales para realizar una tarea concreta», apunta Eduardo Fernández, del grupo de neuroingeniería biomédica de la Universidad Miguel Hernández de Alicante.

Con la implantación de microelectrodos en sus cortezas motoras y somatosensoriales (una parte del cerebro que se encuentra relacionada con el procesamiento de la información del tacto, de la posición del cuerpo, etc) se registraba simultáneamente y en tiempo real la actividad eléctrica extracelular que generaban las neuronas corticales. Esta información se intercambiaba entre las cortezas somatosensoriales del resto de los animales. La comunicación incluye datos táctiles, sobre la predicción del tiempo, el procesamiento de imágenes…

Tal es el potencial, señalan los responsables de la investigación, que «proponemos el uso de los brainets para investigar las bases neurofisiológicas de las interacciones sociales de los animales y el comportamiento del grupo».

Desde que estos investigadores propusieron hace varios años la posibilidad de poner en marcha interfaces en varios cerebros que se comunican entre sí, otros trabajos han probado la transmisión de información entre roedores, entre un humano y un roedor, y entre seres humanos. Nicolelis y su equipo ha demostrado que incluso entre tres monos y entre cuatro roedores, esta red de conexión eléctrica permite llevar a cabo tareas motoras en colaboración, como los movimientos en 3D del brazo de un avatar virtual en una pantalla digital localizada frente a ellos.

En el caso de los monos, por ejemplo, cada uno producía desplazamientos en subespacios (XY, YZ o XZ). Con el entrenamiento a largo plazo se observó una mayor coordinación del comportamiento y «aumentamos las correlaciones en la actividad neuronal entre los diferentes cerebros», explica el artículo. Es decir, los brainets logran integrar los cerebros de varios animales para lograr una meta común». Y aún más: «estas redes cerebrales podrían superar incluso el rendimiento individual del cerebro». Una hipótesis que se comprobó en ambos estudios, tanto en los monos como en los roedores.

En el trabajo de las ratas, señala Fernández al comentar el estudio, «los investigadores demuestran que sus cerebros son capaces de colaborar para resolver tareas concretas, funcionando como una especie de red neuronal única y sugieren que este nuevo tipo de procesamiento, que implica la utilización de manera simultánea y conjunta del cerebro de varios animales, es capaz de resolver problemas complejos a nivel computacional, relacionados por ejemplo con el procesamiento de imagen, tareas de clasificación, etc.

Los interfaces que logran la transferencia de información entre los cerebros y un ordenador permiten a los animales utilizar sus señales cerebrales para controlar directamente los movimientos de dispositivos artificiales, como podrían ser brazos robóticos, exoesqueletos o avatares virtuales.

«Esta es la primera demostración del éxito de una interfaz cerebro-máquina compartida entre varios sujetos», remarca Nicolelis, del Centro de Neuroingeniería en la Escuela de Medicina de la Universidad de Duke. «Prevemos que pronto podría trasladarse a la práctica clínica». De hecho, este equipo está trabajando actualmente en el diseño de un brainet humano no invasivo para el entrenamiento neuro-rehabilitador para pacientes paralizados.

 

 

La optimista visión de este estudio no lo sería tanto sin «el entrenamiento de los animales para aprender a sincronizar su actividad con otras ratas», aclara Nicolelis. Además, tenían que estar totalmente despiertos, con la expectativa de ser recompensados por el desempeño correcto.

Por otro lado, y como habían propuesto los autores previamente, «los resultados pueden mejorarse aumentando el número de nodos en la red y el tamaño de conjuntos neuronales utilizados para procesar y transferir información». Como expone el experto español, «actualmente estamos en una fase muy preliminar de este tipo de investigaciones».

Publicación de origen: Building an organic computing device with multiple interconnected brains y Computing Arm Movements with a Monkey Brainet

Fuente: Varios medios. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Trazan en el cerebro la experiencia extracorporal

¿Qué ocurre en el cerebro cuando una persona tiene la experiencia de salir fuera de su cuerpo? Un equipo de científicos ahora puede tener una respuesta

En un nuevo estudio, los investigadores, utilizando un escáner cerebral y algunos trucos de cámara, les ofrecieron a los participantes del estudio la ilusión de que sus cuerpos estaban localizados en una parte de una habitación apartada de donde realmente estaban. Entonces, los investigadores examinaron su actividad cerebral, para saber qué regiones del cerebro estaban involucradas en las percepciones de los participantes acerca de dónde estaba su cuerpo.

Los resultados mostraron que la experiencia consciente que nos indica dónde se encuentra nuestro cuerpo surge de la actividad en áreas del cerebro involucradas con los sentimientos de la propiedad del cuerpo, así como regiones que contienen células que, se sabe, están involucrados en la orientación espacial, dijeron los investigadores. Un trabajo anterior realizado en animales había mostrado que estas células, denominadas «células GPS«, tienen un papel clave en los movimentos en el entorno y en la memoria.

La sensación de poseer un cuerpo «es una experiencia muy básica que la mayoría de nosotros damos por sentada en la vida cotidiana», dijo el Dr. Arvid Guterstam, neurocientífico del Instituto Karolinska en Suecia, y co-autor del estudio publicado en la revista Current Biology. Pero Guterstam y sus colegas querían entender los mecanismos cerebrales subyacentes en esta experiencia cotidiana.

Manos de goma y cuerpos virtuales

En experimentos anteriores, los investigadores habían explorado la sensación de estar fuera del cuerpo. Por ejemplo, los investigadores desarrollaron la llamada «ilusión de la mano de goma», en la que una persona que lleva unas gafas de vídeo ve una mano de goma a la que están acariciando, mientras que un investigador acaricia la mano del participante (que no está a la vista), produciendo la sensación de que la mano de goma es la del participante. Los investigadores han utilizado una técnica similar para dar a la gente la sensación de tener el cuerpo de un maniquí, o incluso un cuerpo invisible, como lo describen en un informe publicado recientemente en la revista Scientific Reports.

En el nuevo estudio, Guterstam y sus colegas querían entender los mecanismos del cerebro que corresponden a la percepción de donde se encuentra nuestro cuerpo. Los experimentos en ratones y otros animales han demostrado que las neuronas llamadas células GPS están involucrados en la navegación de su cuerpo en el espacio (así como en la memoria), un hallazgo que fue galardonado con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 2014.

Normalmente, estos estudios involucran animales que corren por un laberinto virtual con electrodos conectados a sus cerebros. «Pero no sabemos lo que perciben los animales», dijo Guterstam a Live Science. Guterstam explicó que para entender mejor cómo funciona el proceso en las personas, los investigadores escanearon los cerebros de las personas que estaban experimentando la ilusión de estar fuera de su cuerpo.

Experiencia extracorporal

En el último experimento, se ubica a los participantes en un escáner de resonancia magnética con una pantalla montada en la cabeza que muestra el vídeo de un conjunto de cámaras ubicadas en otro lugar de la habitación. Las cámaras se colocan apuntando hacia abajo sobre el cuerpo de otro individuo, mientras que en el fondo se ve una imagen del propio cuerpo del participante dentro del escáner.

Para producir la ilusión de estar fuera del cuerpo, los investigadores tocan el cuerpo de los participantes con una varilla y al mismo tiempo tocan el cuerpo del desconocido en el mismo lugar, a la vista de las cámaras. Para los participantes, esta técnica produce la ilusión de que su cuerpo está en una parte diferente de la habitación a donde realmente está.

«Es una experiencia muy fascinante», dice Guterstam. «Se necesita un par de toques y, de repente, en realidad se siente como si te encontraras en otra parte de la habitación. Tu cuerpo se siente completamente normal; no te sientes como que estás flotando por ahí», agregó.

Entonces, los investigadores analizaron la actividad cerebral en los lóbulos temporal y parietal de los participantes, las partes implicadas en la percepción espacial y de la sensación de ser dueño de su propio cuerpo. A partir de esta actividad, Guterstam y sus colegas decodificaron la ubicación de la percepción de los participantes.

Los investigadores encontraron que el hipocampo, una región donde se han encontrado células GPS, está involucrado en averiguar donde está el cuerpo de uno. También descubrieron que una región del cerebro llamada la corteza cingulada posterior es lo que junta la sensación de dónde se encuentra el yo con la sensación de poseer un cuerpo.

Estos hallazgos podrían conducir, algún día, a una mejor comprensión de lo que sucede en el cerebro de las personas con una enfermedad llamada epilepsia focal, que tiene convulsiones que afectan sólo a la mitad del cerebro, así como a las personas con esquizofrenia. Las experiencias de estar fuera del cuerpo son más comúnmente reportadas por estos grupos.

También puede ayudar a comprender mejor el efecto del fármaco anestésico ketamina (que se utiliza ilegalmente para fines recreativos), que puede inducir sentimientos similares a ser extraído de su propio cuerpo, dijo Guterstam.

 

 

«No sabemos qué está pasando en el cerebro [en estas condiciones]», dijo, «pero este sentido de auto-ubicación podría involucrar a las mismas áreas del cerebro» que en su estudio.

Artículo original en Live Science.

Fuente: Discovery News. Aportado por Eduardo J. Carletti

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