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Sondas con diminutos LEDs arrojan luz sobre las vías neurales

ANN ARBOR- Utilizando diodos emisores de luz tan pequeños como las neuronas, investigadores de la Universidad de Michigan buscan descubrir los secretos de las vías nerviosas en el cerebro.

Sondas neuronales minúsculas desarrolladas en la Universidad de Michigan están ayudando a entender los circuitos del cerebro. Cada sonda tiene ‘dientes’ de poco menos de 1/10 de milímetro. Equipado con 12 luces LED minúsculas y 32 microelectrodos, cada diente puede estimular y medir alrededor de un centenar de neuronas individuales. Crédito de la imagen: Fan Wu.

Los investigadores han construido y probado en ratones unas sondas neuronales que contienen luces LED implantables –las que ellos creen son las más pequeñas que se ha producido jamás. Las nuevas sondas pueden controlar y registrar la actividad de muchas neuronas individuales, midiendo cómo los cambios en la actividad de una sola neurona puede afectar a sus vecinas.

El equipo anticipa que experimentos utilizando sondas basadas en su diseño podría conducir a avances en la comprensión y el tratamiento de enfermedades neurológicas como el Alzheimer.

“El hecho de que usted puede generar estas señales ópticas en un cerebro vivo, abre nuevas puertas. Este es un gran paso adelante”, dijo Kensall Wise, profesor emérito de Universidad de Michigan, quien participó en la investigación.

El cerebro humano funciona a través de una red de unas 100 mil millones de neuronas, y averiguar cómo funcionan en conjunto es una tarea monumental.

“Cientos de millones de personas sufren de enfermedades neurológicas, pero los métodos de tratamiento y los medicamentos son actualmente muy limitados debido a que la comprensión científica del cerebro es deficiente”, dijo Fan Wu, un investigador postdoctoral en ciencias de ingeniería electrónica e informática y co- autor líder de un  documento sobre los resultados publicados en la revista Neuron. “Hemos desarrollado una herramienta necesaria para entender mejor cómo funciona y por qué el cerebro no funciona, para tratar de resolver estos problemas.”

En roedores modificados genéticamente, las neuronas se pueden encender y apagar con luz. Por lo general, los científicos utilizando esta técnica “optogenética” encienden la luz en una región del cerebro a través de fibras ópticas implantadas y graban las respuestas con un segundo dispositivo. Esto ayuda a revelar qué regiones del cerebro son responsables de qué comportamientos. Pero no puede revelar cómo las neuronas se comunican entre sí.

Las nuevas sondas sí pueden. Cada sonda contiene 12 luces LED y 32 microelectrodos. Las LED son tan pequeñas como el cuerpo celular de una neurona, y pueden prender y apagar a neuronas individuales. A la vez, los microelectrodos miden la actividad al nivel de una sola neurona, informando cómo un cambio en el comportamiento de una neurona afecta a la red circundante.

“Ahora podemos saber cómo un grupo de células, tanto adyacentes como más lejos, están respondiendo a la activación de una única célula”, dijo Wu. “Esto nos ayudará a comprender mejor cómo estas células se comunican entre sí.”

Mientras las sondas fueron desarrolladas U-M, los experimentos para demostrar su utilización se llevaron a cabo en la Universidad de Nueva York en el laboratorio de György Buzsaki, un líder en la neurociencia experimental. Eran Stark, quien actualmente es profesor asistente de neurología en la Universidad de Tel Aviv, las utilizó para medir cómo las señales pasan a través de los cerebros de los ratones. Se centró en el área del cerebro responsable de la memoria a corto y largo plazo.

“Usando (estas) sondas, podemos desentrañar cómo las señales se propagan dentro de los circuitos neuronales de manera que podamos comprender cómo los recuerdos se forman, son recuperados y reemplazados”, dijo Euisik Yoon, profesor de ingeniería eléctrica, informática e ingeniería biomédica en la U-M y líder del proyecto.

Acerca del estudio

La investigación se describe en el documento “Monolithically Integrated μLEDs on Silicon Neural Probes for High-Resolution Optogenetic Studies in Behaving Animals.” Está disponible en línea, y fue el tema de portada de la edición 16 de diciembre de la revista Neuron.

Pei-Cheng Ku, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la UM, ayudó a desarrollar las micro-LED.

La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud (NIH) — incluyendo el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería (EB019221), el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares (NS075015), y el Instituto Nacional de Salud Mental (MH54671)– y por la Fundación Nacional para la Ciencia (ECCS 1.407.977). Financiación también fue proporcionada por la Fundación Rothschild, el Human Frontiers in Science Program y la Fundación Machiah.

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