Un microelectrodo «vigila» a las neuronas sin dañar el cerebro ¡durante más de un año!
Desarrollan un electrodo cerebral de solo cinco micras que registra la actividad neuronal a largo plazo sin dañar el cerebro, un avance clave para la neurociencia y el tratamiento de enfermedades neurológicas.
Por Enrique Coperías
Imagen conceptual de un electrodo de microaguja apoyado sobre tejido cerebral, generada con DALL-E
Un equipo de investigación del Instituto de Investigación en Semiconductores de Próxima Generación y Ciencias de la Detección (IRES²) de la Universidad Tecnológica de Toyohashi, en Japón, ha desarrollado una revolucionaria tecnología en el campo de la neurociencia, específicamente para el registro electrofisiológico neuronal in vivo. O sea, para medir de la actividad eléctrica de las neuronas en un organismo vivo.
Este avance promete cambiar las reglas del juego en este terreno de la neurociencia, al reducir significativamente la muerte neuronal durante la implantación de electrodos y permitir registros neuronales estables durante más de un año, un desafío que hasta ahora había limitado el estudio de la actividad cerebral a largo plazo.
El corazón de este descubrimiento es un microelectrodo de 5 µm de diámetro fabricado sobre una película flexible mediante una innovadora tecnología de crecimiento de silicio. Este dispositivo se probó en experimentos con ratones, y los resultados mostraron una reducción significativa en la muerte de neuronas, así como una estabilidad sin precedentes en los registros de la actividad neuronal en comparación con las tecnologías de electrodos tradicionales.
Prometedor contra la epilepsia o el alzhéimer
Este avance resuelve uno de los mayores retos en el campo de la neurociencia: cómo registrar la actividad neuronal en el cerebro durante períodos prolongados sin causar daño significativo.
La importancia del registro neuronal a largo plazo es enorme, tanto para la investigación básica en neurociencia como para las aplicaciones clínicas. Este tipo de tecnología permite a los científicos obtener datos sobre la actividad cerebral con una resolución espacial y temporal extremadamente alta, lo cual es esencial para comprender el funcionamiento del cerebro en su totalidad.
Además, podría ser fundamental para el diagnóstico y el tratamiento de trastornos neurológicos como la epilepsia, la enfermedad de Alzheimer y otras dolencias que degeneran la actividad del encéfalo.
Uno de los problemas más grandes con las tecnologías de electrodos actuales es que la implantación de estos dispositivos en el cerebro provoca, como ya se ha avanzado, daños en los tejidos circundantes. Estas lesiones ocurren debido a la penetración del electrodo en el cerebro, lo que altera las redes neuronales, rompe la barrera hematoencefálica, provoca la formación de cicatrices gliales y causa el fallecimiento de las células nerviosas.
Una microaguja activa durante un año
La tecnología que los investigadores de Toyohashi han desarrollado resuelve parcialmente este problema mediante un electrodo de microaguja de 5 μm de diámetro, que minimiza el daño que se inflige al tejido cerebral.
El dispositivo, una vez implantado en la corteza cerebral de los ratones, mostró una capacidad de grabación in vivo apenas un día después de la implantación. Además, el microelectrodo mantuvo un rendimiento estable durante más de un año. A través de un análisis inmunoquímico de los tejidos implantados, los investigadores confirmaron que la cantidad de muerte neuronal en el área cercana al electrodo era mínima en comparación con los tejidos no implantados, lo que muestra la eficacia de la tecnología para reducir el daño inducido por los electrodos.
«Para demostrar las ventajas de nuestro dispositivo de electrodos, pasé más de dos años registrando la actividad neuronal en ratones con los electrodos implantados; ¡no fue poco tiempo para una estudiante de doctorado! —confiesa Hinata Sasaki, primera autora del estudio, que ha sido publicado en la revista Advanced Materials Interfaces.Y añade—: Sin embargo, pude llevar a cabo el proyecto con el apoyo de los miembros de mi grupo, mis asesores e incluso los ratones que trabajaron conmigo.”
Fotografía de las neuronas marcadas alrededor de la huella del electrodo (indicada por el círculo discontinuo). Cortesía: TOYOHASHI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Flotando sobre el tejido cerebral
El profesor Takeshi Kawano, líder del equipo de investigación, explica en un comunicado de Universidad Tecnológica de Toyohashi los antecedentes técnicos del proyecto: «El material utilizado para las microagujas de silicio, aunque extremadamente eficiente, presenta una dificultad inherente cuando se utiliza en un sustrato rígido: genera una presión adicional sobre el cerebro, lo que provoca daños significativos en los tejidos circundantes».
En palabras de Kawano, esto hace imposible la grabación neuronal estable a largo plazo. «Sin embargo, el equipo superó esta limitación al diseñar un electrodo de microaguja sobre un sustrato flexible, lo que permitió que el dispositivo flotara sobre el tejido cerebral, reduciendo así los daños que pueden causar los micromovimientos».
Gracias a esta nueva geometría del electrodo y su sustrato flexible, los investigadores lograron un avance significativo en la grabación de actividad neuronal estable a largo plazo. El electrodo implantado en la corteza visual de los ratones permitió realizar registros a lo largo de un período extendido, lo que superó a otros métodos tradicionales, como los electrodos de tungsteno.
Las microagujas causan un mínimo daño en las células nerviosas
Los resultados fueron sorprendentes: mientras que los electrodos de tungsteno presentaban un aumento significativo en la muerte neuronal en las semanas siguientes a la implantación, los electrodos de microaguja basados en silicio mostraron un mínimo daño neuronal.
Este avance tiene implicaciones mucho más allá de la investigación básica. Los dispositivos de microelectrodos como este ofrecen una resolución espacial y temporal que es esencial para estudios clínicos. Las aplicaciones potenciales son numerosas, e incluyen el tratamiento de trastornos como la epilepsia, el párkinson y la depresión, donde los registros neuronales a largo plazo pueden proporcionar información valiosa para el desarrollo de terapias más precisas y personalizadas.
En un ámbito más técnico, el equipo desarrolló un sistema para reducir el ruido en las señales neuronales durante los experimentos con ratones en movimiento. Normalmente, los movimientos del animal pueden generar ruido eléctrico en las señales registradas, lo que complica la interpretación de los datos.
Para mitigar este problema, los investigadores implementaron una configuración de electrodo de referencia cercana al electrodo de grabación, lo que redujo significativamente el ruido de fondo, incluso cuando los ratones se movían libremente durante las grabaciones.
Los microelectrodos diseñados por los científicos japoneses podrían ser de gran ayuda en el estudio del alzhéimer, donde los cambios en la actividad neuronal a lo largo del tiempo podrían ofrecer nuevas perspectivas para el diagnóstico precoz y la evaluación de la eficacia de los tratamientos. Imagen generada con DALL-E
Registros en movimiento muy fiables y muy útiles
Este enfoque no solo mejora la calidad de las grabaciones neuronales, sino que también permite realizar estudios en condiciones más naturales, algo que no era posible con tecnologías anteriores, que requerían que los animales estuvieran sedados o restringidos en su movimiento. De esta forma, la nueva tecnología abre la puerta a estudios más completos sobre el comportamiento neuronal en situaciones de vida real, lo que podría resultar fundamental para entender cómo el cerebro responde a estímulos o realiza funciones complejas.
El equipo de investigación está ahora enfocado en mejorar aún más la tecnología para aumentar el número de canales de grabación, lo que permitiría realizar grabaciones multicanal de alta densidad y ayudaría en la creación de mapas cerebrales más completos. Esto también permitiría una mejor caracterización de las redes neuronales, lo cual es crucial para el estudio de trastornos cerebrales complejos y sus posibles tratamientos.
En términos de futuras aplicaciones, los investigadores apuntan a extender la tecnología para su uso en primates, lo que ampliaría las posibilidades de investigación en modelos más cercanos a los seres humanos.
El registro de la actividad neuronal en el alzhéimer
A largo plazo, el desarrollo de estos electrodos ultrafinos y flexibles podría revolucionar el tratamiento de enfermedades neurológicas, ya que permitiría un monitoreo continuo y a largo plazo de la actividad cerebral en pacientes humanos. Esto podría ser especialmente útil en el contexto de enfermedades como el alzhéimer, donde los cambios en la actividad neuronal a lo largo del tiempo podrían ofrecer nuevas perspectivas para el diagnóstico temprano y la evaluación de la eficacia de los tratamientos.
Sin duda alguna, la tecnología desarrollada por este equipo de investigación japonés no solo supera desafíos técnicos importantes en el campo del registro neuronal, sino que también abre nuevas posibilidades para el avance de la neurociencia y la medicina. La capacidad de obtener registros neuronales de alta calidad y sin causar daño significativo al tejido cerebral es un paso crucial hacia el tratamiento y la comprensión de las enfermedades del cerebro.
En palabras de Kawano y su equipo, este avance marca un hito en la investigación neurocientífica, con el potencial de cambiar la forma en que estudiamos y tratamos los trastornos neurológicos. ▪️
