Investigadores del MIT han demostrado una sonda neural muy flexible, fabricada íntegramente con polímeros, que puede estimular ópticamente y registrar la actividad neural en la médula espinal de un ratón: un paso hacia el desarrollo de dispositivos protésicos capaces de restaurar la funcionalidad de los nervios dañados.
«Nuestro objetivo era crear una herramienta que permitiera a neurocientíficos y médicos investigar la función de la médula espinal tanto a nivel celular como de sistemas, con un impacto mínimo en la integridad del tejido», señala Polina Anikeeva, profesora adjunta AMAX de Ciencia e Ingeniería de Materiales y autora sénior del artículo publicado el 7 de noviembre en Advanced Functional Materials.
Chi (Alice) Lu, estudiante de posgrado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales que diseñó e implantó la sonda, es la autora principal del estudio. Entre los coautores figuran Ulrich Froriep, del Simons Center for the Social Brain; Ryan Koppes, del Research Laboratory of Electronics; Andres Canales y Jennifer Selvidge, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales; y Vittorio Caggiano y Emilio Bizzi, del McGovern Institute for Brain Research. El profesor Yoel Fink facilitó el acceso a la torre de estirado de fibras.
Resultados experimentales
Aunque la optogenética, un método que hace que las células nerviosas de mamíferos sean sensibles a la luz mediante modificación genética, se ha aplicado ampliamente durante la última década para investigar la función cerebral, la investigación de la médula espinal ha quedado rezagada. A principios de este año, Caggiano y Bizzi demostraron la inhibición de funciones motoras mediante optogenética, y ahora la colaboración entre ambos grupos produjo un dispositivo adecuado para la excitación óptica de la actividad muscular en la médula espinal, a la vez que proporciona a los investigadores una lectura eléctrica.
«Trabajar en la médula espinal es mucho más difícil que en el cerebro porque está sometida a más movimientos. El radio de la médula espinal del ratón es de aproximadamente 1 milímetro y es muy blanda, así que nos llevó un tiempo averiguar cómo diseñar un dispositivo que realizara la estimulación y el registro sin dañar ese tejido», explica Lu.
La fibra se estiró a partir de una plantilla de casi 1,5 pulgadas de grosor hasta alcanzar un diámetro final comparable al de un cabello humano. Es lo bastante flexible como para hacerle un nudo. La sonda consta de un núcleo óptico transparente de policarbonato; electrodos paralelos de polietileno conductor para registrar la actividad eléctrica neuronal; y copolímero de olefina cíclica, que actúa tanto como aislante eléctrico como revestimiento óptico. La sonda flexible mantiene sus funciones ópticas y eléctricas cuando se dobla hasta 270 grados con radios de curvatura muy pequeños (por ejemplo, 500 µm), aunque en esas condiciones su capacidad para conducir luz disminuye algo. El dispositivo siguió funcionando bien después de doblarlo y enderezarlo repetidamente, y resistió las tensiones previstas por los movimientos corporales normales, según muestra el informe. El MIT ha presentado una solicitud de patente para la plataforma del dispositivo.
Los investigadores realizaron experimentos con su sonda neural en ratones modificados genéticamente que expresan la proteína fotosensible canalrodopsina 2(ChR2), marcada con proteína fluorescente amarilla. La ChR2 hace que las neuronas de los ratones respondan a la luz azul. Estos ratones, desarrollados por el profesor Guoping Feng y sus colegas del McGovern Institute for Brain Research, constituyen un sistema modelo práctico para prótesis neurales optoelectrónicas. «Cuando se suministran pulsos de luz azul a la médula espinal, podemos observar directamente la respuesta neuronal mediante un registro eléctrico», explica Lu, que este otoño comenzó el tercer año de su programa doctoral.
«Los pulsos de láser… suministrados a través del núcleo [de policarbonato] de la sonda de fibra provocaron de manera robusta actividad neural en la médula espinal, según quedó registrado con los… electrodos integrados en el mismo dispositivo», informan los investigadores.
La fibra se insertó en la sección lumbar proximal de la médula espinal de los ratones, y la luz suministrada a través de ella desencadenó actividad en uno de los músculos de la pantorrilla, el gastrocnemio. Los resultados en los ratones fotosensibles se validaron comparándolos con los de ratones de tipo silvestre, que no mostraron respuesta al estímulo óptico. Un pellizco en un dedo del pie mostró que el dispositivo aún podía registrar actividad neuronal estimulada mecánicamente en los ratones de tipo silvestre. Los investigadores monitorizaron la actividad muscular mediante registros electromiográficos (EMG), mientras que los electrodos de polietileno conductor del nuevo dispositivo registraron la actividad neuronal en la médula espinal.
La combinación en un único sistema del registro de la actividad de las neuronas y su estimulación con luz por parte de los investigadores del MIT es novedosa, afirma Ravi V. Bellamkonda, profesor Wallace H. Coulter y director del Departamento de Ingeniería Biomédica del Georgia Institute of Technology y la Emory School of Medicine. «En principio, sería deseable utilizar sistemas de “bucle cerrado”; es decir, detectar un evento neurológico —como que el cerebro quiera mover una extremidad— y luego estimular para influir en esa función cuando el vínculo natural entre ambos se interrumpe por una lesión, como un daño en la médula espinal», explica.
«Es una excelente labor de ingeniería que combina la ingeniería eléctrica y óptica para una aplicación biológica importante: la modulación de la función neural en bucle cerrado. Me entusiasma ver esta tecnología aplicada de formas biológicamente significativas en el futuro», afirma Bellamkonda.
El trabajo fue financiado en parte por subvenciones de la National Science Foundation a través del Center for Sensorimotor Neural Engineering y el Center for Materials Science and Engineering; el McGovern Institute for Brain Research Neurotechnology Program; y la Simons Foundation.
Publicado en colaboración con MIT News
Autor: Denis Paiste se incorporó al Materials Processing Center del MIT en agosto de 2012, procedente del sector periodístico.
Imagen: Ilustración de nervios.
