Por primera vez, una única fibra flexible, no más gruesa que un cabello humano, ha logrado transmitir al cerebro y desde él una combinación de señales ópticas, eléctricas y químicas, llevando a la práctica una idea propuesta por primera vez hace dos años. Con algunos ajustes para mejorar aún más su biocompatibilidad, este nuevo enfoque podría ofrecer una manera mucho mejor de conocer las funciones y conexiones entre distintas regiones del cerebro.
Las nuevas fibras se desarrollaron gracias a la colaboración entre especialistas en ciencia de materiales, química, biología y otros campos. Los resultados se publican en la revista Nature Neuroscience, en un artículo de Seongjun Park, estudiante de posgrado del MIT; Polina Anikeeva, profesora de desarrollo profesional de la promoción de 1942 en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales; Yoel Fink, profesor en los departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Eléctrica e Informática; Gloria Choi, profesora de desarrollo profesional Samuel A. Goldblith en el Departamento de Ciencias Cerebrales y Cognitivas; y otras 10 personas del MIT y de otras instituciones.
Las fibras están diseñadas para imitar la suavidad y flexibilidad del tejido cerebral. Esto podría permitir dejar implantes en su sitio y que mantengan su funcionamiento durante mucho más tiempo de lo que permiten actualmente las típicas fibras metálicas rígidas, lo que facilitaría una recopilación de datos mucho más amplia. Por ejemplo, en pruebas con ratones de laboratorio, los investigadores pudieron inyectar vectores virales que transportaban genes llamados opsinas, que sensibilizan las neuronas a la luz, a través de uno de los dos canales de fluido de la fibra. Esperaron a que las opsinas surtieran efecto; luego enviaron un pulso de luz por la guía de ondas óptica del centro y registraron la actividad neuronal resultante, usando seis electrodos para identificar reacciones específicas. Todo esto se hizo mediante una única fibra flexible de apenas 200 micrómetros de diámetro, comparable al grosor de un cabello humano.
Las investigaciones anteriores en neurociencia solían depender de dispositivos separados: agujas para inyectar vectores virales en optogenética, fibras ópticas para transmitir luz y conjuntos de electrodos para registrar la actividad. Esto añadía muchas complicaciones y exigía alinear con precisión los distintos dispositivos. En la práctica, lograr esa alineación era «algo aleatorio», dice Anikeeva. «Dijimos: ¿no sería estupendo tener un dispositivo que pudiera hacerlo todo?»
Tras años de trabajo, el equipo ha logrado demostrarlo. «Puede llevar el virus [que contiene las opsinas] directamente a la célula, estimular la respuesta y registrar la actividad; además, [la fibra] es lo bastante pequeña y biocompatible como para dejarla implantada durante mucho tiempo», dice Anikeeva.
Como cada fibra es tan pequeña, «en potencia, podríamos usar muchas para observar la actividad en distintas regiones», dice. En sus pruebas iniciales, los investigadores colocaron sondas simultáneamente en dos regiones distintas del cerebro, variando las regiones de un experimento a otro, y midieron cuánto tardaban las respuestas en desplazarse entre ellas.
El elemento clave que hizo posible esta fibra multifuncional fue desarrollar «cables» conductores que conservaran la flexibilidad necesaria y, al mismo tiempo, transmitieran bien las señales eléctricas. Tras mucho trabajo, el equipo logró diseñar un compuesto de polietileno conductor dopado con escamas de grafito. Primero formaron el polietileno en capas, espolvorearon escamas de grafito y lo comprimieron; luego añadieron y comprimieron otro par de capas, después otro, y así sucesivamente. Benjamin Grena, miembro del equipo recién graduado en ciencia e ingeniería de materiales, lo describió como preparar una «mille-feuille» (literalmente, «mil hojas», nombre francés de un pastel Napoleón). Ese método multiplicó por cuatro o cinco la conductividad del polímero, dice Park. «Eso nos permitió reducir los electrodos en la misma proporción».
Una pregunta inmediata que podrían ayudar a responder estas fibras es cuánto tardan exactamente las neuronas en volverse sensibles a la luz tras inyectarles el material genético. Antes solo era posible determinarlo mediante aproximaciones burdas, pero ahora se puede precisar mejor, según el equipo. El agente sensibilizador utilizado en sus pruebas iniciales produjo efectos al cabo de unos 11 días.
El equipo se propone reducir aún más el grosor de las fibras para que sus propiedades se asemejen más a las del tejido neural. «El próximo reto de ingeniería es usar un material aún más blando, que realmente iguale» al tejido adyacente, dice Park. Aun así, decenas de equipos de investigación de todo el mundo ya han solicitado muestras de las nuevas fibras para probarlas en sus propias investigaciones.
«Los autores presentan diseños y capacidades extraordinariamente sofisticados en dispositivos de fibra multifuncionales, con los que crean una única plataforma para la expresión localizada, el registro y la iluminación en estudios optogenéticos de la función cerebral», dice John Rogers, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, ingeniería biomédica y neurocirugía en la Universidad Northwestern, quien no participó en esta investigación. «Estos avances en tecnologías y herramientas son esenciales para progresar en la investigación en neurociencia», afirma.
El equipo de investigación incluyó a integrantes del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT, el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, el Instituto McGovern para la Investigación Cerebral, el Departamento de Ingeniería Química y el Departamento de Ingeniería Mecánica, así como a investigadores de la Universidad de Tohuku, en Japón, y del Instituto Politécnico de Virginia. El trabajo recibió apoyo del Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares, la Fundación Nacional de Ciencias, el Centro de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT, el Centro de Ingeniería Neural Sensoriomotora y el Instituto McGovern para la Investigación Cerebral.
