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Investigadores controlan circuitos cerebrales a distancia usando luz infrarroja

Imagine el cerebro como una central de conmutación gigante cubierta con miles de botones, perillas, diales y palancas que controlan aspectos de nuestro pensamiento, emociones, comportamiento y memoria.

Durante más de un siglo, los neurocientíficos han estado encendiendo y apagando metódicamente estos interruptores, solos o en combinación, para tratar de comprender cómo funciona la máquina en su conjunto. Pero esto es más fácil decirlo que hacerlo. Los circuitos celulares que controlan la mente y el comportamiento se enredan en la masa opaca y gelatinosa de nuestro tejido cerebral y no vienen con prácticos interruptores de encendido/apagado para facilitar la ingeniería inversa.

Ahora, los científicos del Instituto de Neurociencias Wu Tsai de la Universidad de Stanford han desarrollado la primera técnica no invasiva para controlar circuitos cerebrales específicos en el comportamiento de animales a distancia. La herramienta tiene el potencial de resolver una de las mayores necesidades insatisfechas en neurociencia: una forma de probar de manera flexible las funciones de células cerebrales particulares y circuitos profundos en el cerebro durante el comportamiento normal, como ratones que socializan libremente entre sí.


La investigación fue publicada en marzo de 2022 en Nature Biomedical Engineering por Guosong Hong y sus colegas de Stanford y la Universidad Tecnológica Nanyang de Singapur. Hong es un becario de la facultad del Instituto de Neurociencias Wu Tsai y profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería de Stanford que utiliza su experiencia en química y ciencia de materiales para diseñar herramientas y materiales biocompatibles para avanzar en el estudio del cerebro.

La técnica recientemente publicada se basa en los cimientos establecidos por la optogenética, una técnica desarrollada por primera vez en Stanford por Karl Deisseroth, afiliado de Wu Tsai Neuro, y colaboradores que introduce proteínas de algas sensibles a la luz en las neuronas para permitir que los investigadores las activen o desactiven en respuesta a diferentes colores de luz.

«La optogenética ha sido una herramienta transformadora en la neurociencia, pero existen limitaciones sobre lo que se puede hacer con las técnicas existentes, en parte debido a su dependencia de la luz en el espectro visible», dijo Hong. «El cerebro es bastante opaco a la luz visible, por lo que llevar la luz a las células que desea estimular normalmente requiere implantes ópticos invasivos que pueden causar daños en los tejidos y conexiones de fibra óptica montadas en el cráneo que dificultan el estudio de muchos tipos de comportamiento natural. »

Pensando como científico de materiales sobre las formas de superar estos desafíos, Hong reconoció que los tejidos biológicos, incluido el cerebro e incluso el cráneo, son esencialmente transparentes a la luz infrarroja, lo que podría hacer posible que la luz entre mucho más profundo en el cerebro.

Dado que las herramientas optogenéticas existentes no responden a la luz infrarroja, el equipo de Hong recurrió a una molécula que evolucionó para detectar la otra forma del infrarrojo: el calor. Al equipar de forma artificial neuronas específicas en el cerebro del ratón con una molécula sensible al calor llamada TRPV1, su equipo descubrió que era posible estimular las células modificadas al hacer brillar luz infrarroja a través del cráneo y el cuero cabelludo a una distancia de hasta un metro.

TRPV1 es el sensor de calor molecular que nos permite sentir el dolor relacionado con el calor, así como el ardor picante de un pimiento, cuyo descubrimiento condujo al Premio Nobel de Medicina 2021. Un receptor similar les da a las serpientes de cascabel y otras víboras de pozo la «visión de calor» que les permite cazar presas de sangre caliente en la oscuridad, y un estudio reciente logró darles a los ratones la capacidad de ver en el espectro infrarrojo al agregar TRPV1 a sus células cónicas retinales. .

La nueva técnica también se basa en una molécula «transductora» diseñada que se puede inyectar en regiones específicas del cerebro para absorber y amplificar la luz infrarroja que penetra a través del tejido cerebral. Estas partículas a nanoescala, denominadas MINDS (por Macromolecular Infrared Nanotransducers for Deep-brain Stimulation o «nanotransductores infrarrojos macromoleculares para la estimulación cerebral profunda» en español), funcionan un poco como la melanina en nuestra piel que absorbe los dañinos rayos UV del sol, y están elaborados a partir de polímeros biodegradables que se utilizan para producir orgánicos células solares y LED.

«Primero intentamos estimular las células solo con los canales TRPV1 y no funcionó en absoluto», dijo Hong. «Resulta que las serpientes de cascabel tienen una forma mucho más sensitiva de detectar señales infrarrojas de lo que podríamos manejar en el cerebro del ratón. Afortunadamente, teníamos la ciencia de los materiales para ayudarnos».

El equipo de Hong demostró por primera vez su técnica agregando canales TRPV1 a las neuronas en un lado de la corteza motora del ratón, una región que orquesta los movimientos del cuerpo, e inyectando moléculas MINDS en la misma región. Al principio, los ratones exploraron sus recintos al azar, pero cuando los investigadores encendieron una luz infrarroja sobre el recinto, los ratones inmediatamente comenzaron a caminar en círculos, impulsados por la estimulación unilateral de su corteza motora.

«Ese fue un gran momento cuando supimos que esto iba a funcionar», dijo Hong. «Por supuesto, fue solo el comienzo de validar y probar lo que esta tecnología podía hacer, pero a partir de ese momento estaba seguro de que teníamos algo».

En otro experimento clave, los investigadores demostraron que MINDS podría permitir la estimulación infrarroja de las neuronas a través de toda la profundidad del cerebro del ratón. Insertaron canales TRPV1 en las neuronas que expresan dopamina de los centros de recompensa del cerebro, que se encuentran cerca de la base del cerebro en ratones, seguidos de una inyección de MINDS en la misma región. Luego colocaron una luz infrarroja enfocada sobre uno de los tres brazos de un laberinto de brazos radiales estándar y mostraron que los ratones se volvieron «adictos» a la luz infrarroja invisible que hacía cosquillas en sus neuronas de dopamina, pasando casi todo el tiempo en el laberinto bajo sus haces.

Este experimento demostró que la nueva técnica hace posible estimular las neuronas en cualquier parte del cerebro a través del cuero cabelludo y el cráneo intactos, casi sin la dispersión de la luz que lo haría imposible con la luz en el espectro visual. Sorprendentemente, esto funcionó incluso cuando el haz de luz infrarroja se colocó hasta un metro por encima de las cabezas de los animales.

Hong ve aplicaciones inmediatas de la técnica para el creciente movimiento en neurociencia para estudiar los circuitos cerebrales involucrados en el comportamiento social natural en ratones para comprender mejor los sistemas que subyacen a la cognición social en humanos.

«Al igual que nosotros, los ratones son una especie social, pero estudiar el comportamiento natural de un animal dentro de un grupo social es un desafío con una cuerda de fibra óptica montada en la cabeza», dijo Hong. «Este enfoque hace posible por primera vez modular neuronas y circuitos específicos en animales que se comportan libremente. Uno podría hacer brillar una luz infrarroja invisible sobre un recinto con ratones coalojados para estudiar las contribuciones de células y circuitos particulares al comportamiento de un animal dentro del entorno de un grupo social.»

Hong y sus colaboradores continúan refinando la técnica para que sea más simple y fácil de implementar, dijo. «En el futuro, nos gustaría combinar nuestro enfoque actual de dos etapas en una sola máquina molecular, tal vez mediante la codificación de algún pigmento absorbente de infrarrojos en las propias neuronas que expresan TRP».

El trabajo es uno de varios enfoques en los que Hong está involucrado para hacer posible que los investigadores, y quizás algún día los médicos, modulen de forma no invasiva los circuitos neuronales en todo el cerebro. Por ejemplo, Hong y sus colegas también están desarrollando microesferas nanoscópicas que pueden convertir haces de ultrasonido enfocados en luz, y que pueden inyectarse directamente en el torrente sanguíneo, lo que hace posible apuntar optogenéticamente a células en cualquier parte del cerebro y cambiar este objetivo a voluntad dentro de un solo experimento.

«Los enfoques convencionales de neuromodulación nos dieron la capacidad de activar algunos de los interruptores a la vez en el cerebro para ver qué hacen los diferentes circuitos», dijo Hong. «Nuestro objetivo es llevar estas técnicas un paso más allá para brindarnos un control preciso sobre todo el panel de control al mismo tiempo».

Esta investigación fue financiada por una subvención del Instituto de Neurociencias Wu Tsai en Stanford, Stanford Bio-X y una beca interdisciplinaria de posgrado de Stanford; por una subvención de puesta en marcha de la Universidad Tecnológica de Nanyang y el Fondo de Investigación Académica del Ministerio de Educación de Singapur; y por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF), el Instituto Nacional sobre el Envejecimiento de los NIH, la Fundación Rita Allen y la Fundación para la Atrofia Muscular Espinal.

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Fuente de la historia: Materiales proporcionados por la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Stanford . Original escrito por Nicholas Weiler.
Referencia de la publicación: Xiang Wu, Yuyan Jiang, Nicholas J. Rommelfanger, Fan Yang, Qi Zhou, Rongkang Yin, Junlang Liu, Sa Cai, Wei Ren, Andrew Shin, Kyrstyn S. Ong, Kanyi Pu, Guosong Hong. Tether-free photothermal deep-brain stimulation in freely behaving mice via wide-field illumination in the near-infrared-II window. Nature Biomedical Engineering, 2022; DOI: 10.1038/s41551-022-00862-w

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En la luna Europa, el caótico terreno podría transportar oxígeno a un océano interior

El agua salada dentro de la capa helada de la luna Europa de Júpiter podría estar transportando oxígeno a un océano de agua líquida cubierto de hielo, donde potencialmente podría ayudar a mantener la vida extraterrestre, según un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Texas en Austin.


Interpretación de un artista del agua líquida en la superficie de Europa que se acumula
debajo del caótico terreno. CRÉDITO NASA/JPL-Caltech

Esta teoría ya fue propuesta por otros, pero los investigadores la pusieron a prueba al construir la primera simulación computarizada del proceso basada en la física del mundo, con oxígeno moviéndose en el agua salada bajo los «terrenos de caos» de la luna, paisajes formados por grietas, crestas y bloques de hielo que cubren una cuarta parte del mundo helado.

Los resultados muestran que no solo es posible el transporte, sino que la cantidad de oxígeno llevada al océano de Europa podría estar a la par con la cantidad de oxígeno en los océanos de la Tierra en la actualidad.

«Nuestra investigación pone este proceso en el ámbito de lo posible», dijo el investigador principal Marc Hesse, profesor del Departamento de Ciencias Geológicas de la Escuela de Geociencias UT Jackson. «Aporta una solución a lo que se considera uno de los problemas pendientes de habitabilidad del océano subterráneo de Europa».

El estudio fue publicado recientemente en la revista Geophysical Research Letters.


El modelo basado en la física creado por los investigadores muestra que la sal y el oxígeno en la superficie de Europa son transportados por una «onda de porosidad» (forma esférica) a través de la capa de hielo de la luna hasta el océano de agua líquida que se encuentra debajo. El gráfico muestra el tiempo (en miles de años) y la profundidad de la capa de hielo (en kilómetros). El rojo indica niveles más altos de oxígeno. El azul representa niveles más bajos de oxígeno. CRÉDITO Hesse et al

Europa es un lugar privilegiado para buscar vida extraterrestre porque los científicos han detectado signos de oxígeno y agua, junto con sustancias químicas que podrían servir como nutrientes. Sin embargo, la capa de hielo de la luna, que se estima que tiene unos 15 kilómetros de espesor, resulta ser una barrera entre el agua y el oxígeno, que es generado por la luz solar y las partículas cargadas de Júpiter que llegan a la superficie helada.

Si la vida tal como la conocemos existe en el océano, debe haber una forma de que el oxígeno llegue a ella. Según Hesse, el escenario más plausible —basado en la evidencia disponible— es que el oxígeno sea transportado por agua salada o salmuera.

Los científicos creen que los terrenos caóticos se forman por encima de las regiones donde la capa de hielo de Europa se derrite parcialmente para formar salmuera, que puede mezclarse con el oxígeno de la superficie. El modelo de computadora creado por los investigadores mostró lo que le sucede a la salmuera después de la formación del terreno del caos.

El modelo mostró que la salmuera se drenaba de una manera distinta, tomando la forma de una «onda de porosidad» que hace que los poros en el hielo se ensanchen por un tiempo, lo que permite que pase la salmuera antes de volver a sellarse. Hesse compara el proceso con la clásica presión en los dibujos animados de un bulto de agua que corre por una manguera de jardín.

Este modo de transporte parece ser una forma efectiva de llevar oxígeno a través del hielo, con el 86% del oxígeno absorbido en la superficie y montado en la ola hasta el océano. Pero los datos disponibles permiten una amplia gama de niveles de oxígeno entregados al océano de Europa a lo largo de su historia, con estimaciones que varían por un factor de 10.000.

Según el coautor Steven Vance, científico investigador del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA y supervisor de su Grupo de Interiores Planetarios y Geofísica, la estimación más alta haría que los niveles de oxígeno en el océano de Europa fueran similares a los de los océanos de la Tierra, lo que aumenta esperanza sobre el potencial de ese oxígeno para sustentar la vida en el océano oculto.

«Es tentador pensar en algún tipo de organismo aeróbico que vive justo debajo del hielo», dijo.

Vance dijo que la próxima misión Europa Clipper 2024 de la NASA puede ayudar a mejorar las estimaciones de oxígeno y otros ingredientes para la vida en la luna helada.

Kevin Hand, un científico centrado en la investigación de Europa en el JPL de la NASA que no formó parte del estudio, dijo que el estudio presenta una explicación convincente para el transporte de oxígeno en Europa.




«Sabemos que Europa tiene compuestos útiles como el oxígeno en su superficie, pero ¿llegan al océano de abajo, donde la vida puede usarlos?» él dijo. «En el trabajo de Hesse y sus colaboradores, la respuesta parece ser sí».

La investigación fue financiada por la NASA, la Fundación Nacional de Ciencias y el Fondo de Investigación del Petróleo de la Sociedad Química Estadounidense.

Además de la Escuela Jackson, Hesse también es investigadora en el Centro de Habitabilidad de Sistemas Planetarios de UT y en el Instituto Oden de Ingeniería y Ciencias Computacionales.

NOTA: «Chaos» (caos, caótico) es un término regulado por la Unión Astronómica Internacional usado en astrogeología para denotar áreas planetarias perfectamente delimitadas cuya superficie es sumamente escarpada, quebradiza y agrietada. Las zonas Chaos son muy frecuentes en la superficie marciana y en la luna Europa de Júpiter.
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Fuente: Universidad de Texas en Austin, Downward Oxidant Transport Through Europa’s Ice Shell by Density-Driven Brine Percolation, Geophysical Research Letters – Astrobiology

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El Hubble detecta la estrella más lejana que se haya observado: Earendel

El telescopio espacial Hubble de la NASA ha establecido un nuevo punto de referencia extraordinario: detectar la luz de una estrella que existió en los primeros mil millones de años después del nacimiento del universo en el Big Bang, lo que la convierte en la estrella individual más lejana jamás vista hasta la fecha. El anuncio fue anticipado ayer y liberado por la NASA hoy mismo.

El hallazgo es un gran salto más atrás en el tiempo que con el récord anterior de una sola estrella; esta fue detectada por Hubble en 2018. Esa estrella existía cuando el universo tenía unos 4.000 millones de años, o el 30 por ciento de su edad actual, en un momento al que los astrónomos se refieren como un “desplazamiento al rojo de 1.5”. Los científicos usan el término “desplazamiento hacia el rojo” porque a medida que el universo se expande, la luz de los objetos distantes se estira o “se desplaza” a longitudes de onda más largas y rojas a medida que viaja hacia nosotros.


Esta vista detallada destaca la posición de la estrella Earendel a lo largo de una onda en el espacio-tiempo (línea punteada) que la amplía y hace posible que la estrella se detecte a una distancia tan grande: casi 13.000 millones de años luz. También se indica un cúmulo de estrellas que se refleja a ambos lados de la línea de magnificación. La distorsión y la ampliación son creadas por la masa de un enorme cúmulo de galaxias ubicado entre Hubble y Earendel. La masa del cúmulo de galaxias es tan grande que deforma el tejido del espacio, y mirar a través de ese espacio es como mirar a través de una lupa: a lo largo del borde del cristal o lente, la apariencia de las cosas del otro lado se distorsiona al mismo tiempo que se magnifica.
Créditos: Ciencia: NASA, ESA, Brian Welch (JHU), Dan Coe (STScI);
procesamiento de imágenes: NASA, ESA, Alyssa Pagan (STScI)

La estrella recién detectada está tan lejos que su luz ha tardado 12.900 millones de años en llegar a la Tierra, y se nos aparece como cuando el universo tenía solo el 7 por ciento de su edad actual, con un desplazamiento al rojo de 6.2. Los objetos más pequeños vistos anteriormente a una distancia tan grande son cúmulos de estrellas dentro de galaxias primitivas.

“Al principio casi no lo creíamos: estaba mucho más lejos que la anterior estrella de mayor desplazamiento al rojo más distante”, dijo el astrónomo Brian Welch de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, autor principal del artículo que describe el descubrimiento, publicado el 30 de marzo en la revista Nature. El descubrimiento se hizo a partir de los datos recopilados durante el programa Estudio de la reionización con lentes gravitacionales en cúmulos (RELICS, por sus siglas en inglés) del Hubble, dirigido por el coautor Dan Coe en el Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial, también en Baltimore.




“Normalmente, a estas distancias, las galaxias enteras se ven manchas pequeñas, donde se mezcla la luz de millones de estrellas”, dijo Welch. “La galaxia que alberga esta estrella ha sido ampliada y distorsionada por lentes gravitacionales en una larga media luna que llamamos el Arco del Amanecer”.

Después de estudiar la galaxia en detalle, Welch determinó que uno de los elementos es una estrella extremadamente magnificada que llamó Earendel, que significa “estrella de la mañana» en inglés antiguo. El descubrimiento promete abrir una era inexplorada de formación estelar muy temprana.

“Earendel existió hace tanto tiempo que es posible que no haya tenido todas las mismas materias primas que las estrellas que nos rodean hoy en día”, explicó Welch. “Estudiar Earendel será una ventana a una era del universo con la que no estamos familiarizados, pero que condujo a todo lo que conocemos. Es como si hubiéramos estado leyendo un libro muy interesante, pero comenzamos con el segundo capítulo, y ahora tendremos la oportunidad de ver cómo comenzó todo”, dijo Welch.

Cuando las estrellas se alinean

El equipo de investigación estima que Earendel tiene al menos 50 veces la masa de nuestro Sol y es millones de veces más brillante, rivalizando con las estrellas más masivas que se conocen. Pero incluso una estrella tan brillante y de gran masa sería imposible de ver a una distancia tan grande sin la ayuda del aumento natural que produce un enorme cúmulo de galaxias, WHL0137-08, que se encuentra entre nosotros y Earendel. La masa del cúmulo de galaxias deforma el tejido del espacio, creando una poderosa lupa natural que distorsiona y amplifica enormemente la luz de los objetos distantes que están detrás de él.

Gracias a la rara alineación con el cúmulo de galaxias que sirven de lente de aumento, la estrella Earendel aparece directamente sobre una ondulación en el tejido del espacio, o muy cerca de ella. Esta ondulación, que se define en óptica como una “cáustica”, proporciona el máximo aumento y brillo. El efecto es análogo al de la superficie ondulada de una piscina que crea patrones de luz brillante en el fondo de la piscina en un día soleado. Las ondulaciones en la superficie actúan como lentes y enfocan la luz solar al brillo máximo en el fondo de la piscina.

Esta cáustica hace que la estrella Earendel sobresalga del resplandor general de su galaxia de origen. Su brillo se magnifica mil veces o más. A este punto, los astrónomos no pueden determinarse si Earendel es una estrella binaria, aunque la mayoría de las estrellas masivas tienen por lo menos una estrella compañera más pequeña.

Confirmación con el telescopio Webb

Los astrónomos esperan que Earendel permanezca muy magnificada en los años venideros. Será observada por el telescopio espacial James Webb de la NASA. La alta sensibilidad del Webb a la luz infrarroja es necesaria para aprender más sobre Earendel, porque su luz se estira (se desplaza hacia el rojo) a longitudes de onda infrarrojas más largas debido a la expansión del universo.

“Con Webb esperamos confirmar que Earendel es de hecho una estrella, así como medir su brillo y temperatura”, dijo Coe. Estos detalles reducirán la investigación sobre su tipo y su etapa en el ciclo de vida estelar. “También esperamos encontrar que el Arco del Amanecer carece de los elementos pesados que se forman en las generaciones posteriores de estrellas. Esto sugeriría que Earendel es una estrella rara, masiva y pobre en metales”, dijo Coe.

La composición de Earendel será de gran interés para los astrónomos, porque se formó antes de que el universo se llenara con los elementos pesados producidos por las sucesivas generaciones de estrellas masivas. Si los estudios de seguimiento encuentran que Earendel está compuesta solamente de hidrógeno y helio primordiales, sería la primera evidencia de las legendarias estrellas de Población III, que se supone que son las primeras estrellas nacidas después del Big Bang. Si bien la probabilidad es pequeña, Welch admite que es tentadora de todos modos.

“Con Webb, podemos ver estrellas incluso más lejanas que Earendel, lo que sería increíblemente emocionante”, dijo Welch. “Iremos tan atrás como podamos. Me encantaría ver a Webb romper el récord de distancia de Earendel”.

El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScI, por sus siglas en inglés) en Baltimore, Maryland, lleva a cabo operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía en Washington, D.C.

NASA’s Goddard Space Flight Center
Last Updated: Mar 30, 2022
Editor: Andrea Gianopoulos

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