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Un implante para replicar las señales del cerebro en tiempo real

Un dispositivo que aplica descargas a las neuronas y monitorea los cambios electroquímicos podría revelar secretos de la terapia de estimulación cerebral profunda

Utilizada durante mucho tiempo para tratar los trastornos del movimiento, la estimulación cerebral profunda (en inglés Deep Brain Stimulation = DBS) está emergiendo rápidamente como un tratamiento experimental para enfermedades neuropsiquiátricas como la depresión, el síndrome de Tourette, el trastorno obsesivo-compulsivo e incluso la enfermedad de Alzheimer. Pero a pesar de algunos resultados alentadores en pacientes, sigue siendo desconocido en gran parte cómo los impulsos eléctricos emitidos por los implantes profundos en el cerebro afectan a los circuitos neuronales y cambian el comportamiento.

Los investigadores informaron el 10 de noviembre en la reunión anual de la Sociedad para Neurociencias en San Diego, California que ahora hay un prototipo de dispositivo DBS que podría aportar algunas respuestas. Llamado Harmoni, el dispositivo es el primer DBS implantable para monitorear las respuestas eléctricas y químicas en el cerebro mientras se aplica la estimulación eléctrica.

«Estos son nuevos datos que en realidad no hemos tenido acceso antes en los seres humanos», dice Cameron McIntyre, un ingeniero biomédico de la Universidad Case Western Reserve en Cleveland, Ohio, quien no está involucrado en el trabajo.

Los investigadores esperan que el dispositivo pueda identificar las señales eléctricas y químicas en el cerebro que se correlacionan en tiempo real con la presencia y severidad de los síntomas, incluyendo los temblores que sufren las personas con enfermedad de Parkinson. Esta información podría ayudar a descubrir dónde y cómo ejerce sus efectos terapéuticos en el cerebro el DBS, y por qué a veces falla, dice Kendall Lee, neurocirujano en la Clínica Mayo en Rochester, Minnesota, quien encabeza el proyecto.

Estimulante financiación

Los resultados llegan en un momento de gran excitación en el campo de los DBS. El mes pasado, la Defense Advanced Research Projects Agency del gobierno de EE.UU. (DARPA) anunció una iniciativa de 5 años, con un aporte de 70 millones de dólares, para apoyar el desarrollo de la próxima generación de tecnologías de estimulación cerebral terapéuticas.

El dispositivo Harmoni toma como base las capacidades ya existentes de grabación eléctrica de la tecnología DBS, agregando técnicas de sensores químicos que fueron desarrollados originalmente para aplicaciones de investigación básica en animales. El uso de un método llamado voltametría cíclica con exploración de alta velocidad, el dispositivo aplica un cambio localizado de voltaje en el cerebro. Esto extrae electrones transitoriamente de ciertos neurotransmisores —los productos químicos del cerebro que activan o inhiben a las neuronas— dando lugar a corrientes eléctricas que se pueden medir. Cada molécula neurotransmisora produce una firma electroquímica diferente, que puede ser utilizada para identificar y estimar su concentración cada 10 milisegundos.

El grupo de Lee ha estado probando partes del sistema Harmoni en ratas y cerdos, y está avanzando hacia ensayos en seres humanos. El equipo utiliza imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) durante la cirugía para encontrar las áreas del cerebro, a veces distantes, que responden a los impulsos eléctricos en el lugar del implante. Luego, mediante la inserción de sensores químicos y eléctricos en esos sitios, los investigadores pueden armar un cuadro de cómo se activan las neuronas y qué neurotransmisores se liberan en respuesta a la estimulación cerebral profunda.

Los resultados preliminares en animales indican que el dispositivo puede medir un aumento en el neurotransmisor dopamina en una parte del cerebro llamado el núcleo caudado, después de la estimulación de otra área del cerebro conocida como el núcleo subtalámico. Esta secuencia de eventos es uno de los mecanismos propuestos para el funcionamiento del DBS en la terapia de la enfermedad de Parkinson.

«Es realmente un cambio de juego», dice Karen Davis, una neurocientífica del Hospital Toronto Western en Ontario, Canadá, que ha estudiado el uso de la estimulación cerebral profunda para controlar el dolor. Ella ve el potencial del dispositivo para el seguimiento de los neuroquímicos relevantes implicados en el dolor.




Cerrando el círculo

La investigación aún se encuentra en sus primeras etapas, dice Lee. Su grupo está trabajando en la fabricación de electrodos registradores más durables, y el dispositivo debe ser hecho más pequeño antes de que se pueda implantar en los pacientes. En última instancia, al equipo le gustaría desarrollar Harmoni como un dispositivo DBS de ‘circuito totalmente cerrado’. Esto debe utilizar registros de patrones químicos y eléctricos como retroalimentación para ajustar automáticamente los parámetros del DBS —la duración y el momento de los pulsos eléctricos, por ejemplo— para mantener el cerebro en un estado óptimo de actividad.

Sin embargo, el neurocientífico Charles Blaha, un colaborador de Lee en la Universidad de Memphis, en Tennessee, señala que aún queda mucho por aprender acerca de qué firmas eléctricas y químicas caracterizan estados cerebrales saludables y desordenados, y cómo se debe estimular el cerebro para mantener hábitos saludables.

«¿Tenemos todas las respuestas? No», dice Lee. «Pero al menos hemos desarrollado las herramientas para investigar esto.»

Fuente: Nature. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Nuevo tipo de microscopio se basa en neutrones

Los investigadores del MIT, trabajando en asociación con la NASA, han desarrollado un nuevo diseño de microscopio que utiliza neutrones —partículas subatómicas sin carga eléctrica— en lugar de haces de luz o electrones para crear imágenes de alta resolución

Entre otras características, los instrumentos basados en neutrones tienen la capacidad de entrar en los objetos de metal —como las pilas de combustible, baterías y motores, incluso mientras están en uso— para conocer los detalles de su estructura interna. Los instrumentos de neutrones también son especialmente sensibles a las propiedades magnéticas y a los elementos más ligeros, que son importantes en los materiales biológicos.

El nuevo disdeño fue descrito este año en una serie de artículos de investigación, incluyendo uno publicado esta semana en Nature Communications por el postdoctorado del MIT Dazhi Liu, el científico investigador Boris Khaykovich, el profesor David Moncton, y otras cuatro personas.

Moncton, profesor adjunto de física y director del Laboratorio del Reactor Nuclear del MIT, dice que Khaykovich propuso por primera vez la idea de adaptar un diseño de 60 años de edad, sobre una forma de enfocar los rayos X utilizando espejos, para el desafío de construir un microscopio de neutrones de alto rendimiento. Hasta ahora, la mayoría de los instrumentos de neutrones han sido similares a las cámaras estenopeicas: un crudo sistema de imágenes que, simplemente, deja pasar la luz a través de una pequeña abertura. Sin componentes ópticos eficientes, estos dispositivos producen débiles imágenes, con poca resolución.

Más allá de un agujero de alfiler

«No se han producido dispositivos de enfoque de alta calidad para los neutrones», dice Moncton. «En esencia, todos los instrumentos de neutrones desarrollados a lo largo de medio siglo son, en efecto, cámaras estenopeicas». Pero con este nuevo avance, dice, «estamos convirtiendo el campo de la imagen de neutrones desde la era de las cámaras estenopeicas a una era de auténtica óptica.»

«El nuevo dispositivo de espejo actúa como la lente formadora de imágenes de un microscopio óptico», añade Liu.

Debido a que los neutrones interactúan mínimamente con la materia, es difícil enfocar sus haces para crear un telescopio o un microscopio. Sin embargo, Hans Wolter propuso en 1952 un concepto básico para los rayos X, que más tarde se convirtió, bajo el auspicio de la NASA, en telescopios como el Observatorio Orbital Chandra de rayos X (que fue diseñado y es administrado por los científicos del MIT). Los haces de neutrones interactúan débilmente, al igual que los rayos X, y pueden ser enfocados por un sistema óptico similar.

Es bien sabido que la luz puede ser reflejada por una superficie normalmente no reflectora, siempre y cuando se incida sobre la superficie con un ángulo pequeño, algo que es la física básica de un espejismo en el desierto. Usando el mismo principio, unos espejos con ciertos revestimientos pueden reflejar neutrones en ángulos llanos.

Un dispositivo más nítido y más pequeño

El instrumento real utiliza varios cilindros reflectivos anidados uno dentro del otro, a fin de aumentar el área de superficie disponible para la reflexión. El dispositivo resultante podría mejorar el rendimiento de los sistemas de imágenes de neutrones existentes en un factor de aproximadamente 50, dicen los investigadores… lo que permite imágenes más nítidas, instrumentos mucho más pequeños, o ambas cosas.

El equipo primero creó y optimizó el diseño digitalmente, luego fabricó un pequeño instrumento de prueba como una comprobación del principio, y demostró su capacidad utilizando una instalación de haz de neutrones en el Laboratorio del Reactor Nuclear del MIT. Un trabajo posterior, requiriendo un espectro diferente de energías de neutrones, se llevó a cabo en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) y en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST).

Este nuevo instrumento podría ser utilizado para observar y caracterizar muchas clases de materiales y muestras biológicas; también podrían beneficiarse otros métodos no formadores de imágenes que se basan de la dispersión de neutrones. Debido a que los haces de neutrones son de energía relativamente baja, resultan ser «una sonda de dispersión mucho más sensible», dice Moncton, para fenómenos del tipo «cómo se mueven los átomos o los momentos magnéticos en un material.»

Los investigadores planean construir un sistema de microscopía de neutrones optimizado en colaboración con el NIST, que ya cuenta con un centro de investigación importante con haces de neutrones. Este nuevo instrumento costará unos cuantos millones de dólares.

Moncton señala que un reciente avance en el campo fue la construcción de una instalación de us$ 1.400 millones que proporciona un aumento de diez veces en el flujo de neutrones. «Teniendo en cuenta el costo de producir los haces de neutrones, es fundamental dotarles de las ópticas más eficientes posibles», dice.

Además de los investigadores del MIT, el equipo incluyó a Mikhail Gubarev y Brian Ramsey del Marshall Space Flight Center de la NASA, y Lee Robertson y Lowell Crow de ORNL. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de EEUU.

Fuente: MIT. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Animación inteligente salta la brecha entre los mundos físico y digital

Hao Li recuerda haber visto Jurassic Park cuando era niño: «Ese momento de ver algo que no existe en la realidad, pero que se veía tan real, fue sin duda lo que me hizo pensar en hacer esto», dice

Li me cuenta su historia una tarde, mientras cenamos en la cafetería de la Industrial Light & Magic, el famoso estudio de San Francisco de efectos visuales donde él ha estado trabajando en una manera de capturar digitalmente las expresiones faciales de los actores de las próximas películas de Star Wars.

Cuando se estrenó Jurassic Park, Li tenía 12 años y vivía en lo que él llama la ciudad «boonie» de Saarbrücken, Alemania, donde sus padres se habían trasladado desde Taiwán para que su padre completara un doctorado en química. Ahora, 20 años después, si todo va según lo previsto, la innovación de Li va a alterar radicalmente la forma en que se hacen las películas llenas de efectos, difuminando la línea entre los actores humanos y lo digital.

Los artistas de efectos visuales suelen capturar as actuaciones humanas por medio de pequeñas bolas o etiquetas que se colocan en la cara y el cuerpo de un actor para seguir el movimiento. Los datos de captura del movimiento de esos marcadores se convierte a continuación en un archivo digital que puede ser manipulado.

Pero los marcadores son una distracción y son molestos para los actores, y no son muy buenos para capturar los cambios sutiles en la expresión facial.

El desarrollo de Li implica sensores de profundidad, la misma tecnología que se utiliza en los sistema de movimiento de los juegos, como el Kinect en la Xbox. Cuando se dirige una cámara con sensores de profundidad a la cara de un actor, el software de Li analiza los datos digitales con el fin de averiguar cómo se modifican las formas faciales entre un fotograma y el siguiente. Cuando los labios del actor se curvan en una sonrisa, el algoritmo mantiene un registro de las líneas y las sombras de expansión y contracción, en esencia «identificando» los labios del actor. A continuación, el software aplica el rostro del actor a una versión digital.

El trabajo de Li mejora la autenticidad de las performances digitales, al mismo tiempo que acelera la producción.

Li es temerario aunque amigable, no siente vergüenza de proclamar sus logros, sus ambiciones, y las posibilidades de su software. Su algoritmo ya se utiliza en algunos escáneres médicos, donde se realiza un seguimiento de la ubicación exacta de un tumor mientras el paciente respira. En otro proyecto, se ha utilizado el software para crear un modelo digital de un corazón latiendo.

Si uno le pregunta si se puede utilizar la tecnología para leer las emociones humanas, o si él va a encontrar alguna otra remota posibilidad, es probable que diga: «Estoy trabajando en eso, también.»

Cuando le pregunto si habla alemán, Li sonríe y dice que sí, «francés, alemán, chino e inglés.» Este otoño, comenzará a trabajar en Los Angeles como profesor asistente en un laboratorio de gráficos por ordenador de la Universidad del Sur de California. Pero las películas de Hollywood no son el final en este juego. «Los efectos visuales son una bonita caja de arena para pruebas de diseño, pero no es el objetivo final», dice Li. Más bien, él ve a sus esfuerzos en la captura de datos y la simulación en tiempo real como un paso adelante en el camino a enseñarle a las computadoras a reconocer mejor lo que está pasando a su alrededor.

Fuente: Technology Review. Aportado por Eduardo J. Carletti

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