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Un nuevo sistema neuroelectrónico lee y modifica circuitos cerebrales

Un nuevo dispositivo puede leer y modificar los circuitos cerebrales implicados en trastornos neuropsiquiátricos, como la epilepsia o la enfermedad de Parkinson, estimulando eléctricamente las neuronas dañadas por anomalías genéticas.

Investigadores de la Universidad de Columbia han desarrollado un sistema neuroelectrónico que puede leer y modificar los circuitos cerebrales, así como suprimir el acoplamiento patológico que ocasiona trastornos neuropsiquiátricos.

Los circuitos neuronales constituyen el sustrato anatómico en el que se realizan todas las funciones del sistema nervioso. Representan un reto considerable para las neurociencias porque necesitan vincular la arquitectura, el cableado y los mensajes eléctricos de los circuitos neuronales, a los comportamientos patológicos.

Cualquier disfunción en esos circuitos puede causar trastornos neuropsiquiátricos, como la epilepsia o la enfermedad de Parkinson, por lo que es preciso comprender cómo las redes neuronales se vuelven anormales en ambos casos para poder diseñar métodos correctores de esa disfunción.

En esa línea, se han diseñado dispositivos específicos para reparar los daños y recuperar la normalidad neuronal mediante la neuroestimulación, que transmite señales eléctricas a las zonas cerebrales afectadas por una enfermedad.

La neuroestimulación se ha usado frecuentemente para tratar diversos trastornos psiquiátricos, pero los dispositivos desarrollados hasta ahora han tropezado con serias dificultades, entre otras la resolución de las imágenes obtenidas (generalmente insuficiente) y su tamaño, que dificulta su implantación por el riesgo de complicaciones.

El dispositivo desarrollado en la Universidad de Columbia es mucho más pequeño y flexible que los actuales y aporta también una innovación significativa: permite la estimulación simultánea mediante ondas arbitrarias en múltiples canales independientes, por lo que es mucho más versátil.

El nuevo sistema es totalmente implantable y capaz de adquirir, en tiempo real, potenciales neuronales individuales a través de electrodos flexibles. Estimula zonas cerebrales mediante ondas arbitrarias de baja latencia, todo ello con un mínimo impacto físico en el paciente.

El dispositivo suprime el acoplamiento patológico entre el hipocampo y la corteza en tiempo real dentro de una red epiléptica. Este tipo de enfoque podría ayudar a abordar los problemas de memoria que a menudo acompañan a la epilepsia, según los investigadores.

“Estos dispositivos permitirán la aplicación de enfoques de neuroestimulación receptiva de alta resolución espacio-temporal a una variedad de funciones cerebrales, ampliando en gran medida nuestra capacidad para modificar crónicamente las redes neuronales y tratar enfermedades neuropsiquiátricas”, explica una de las investigadoras, Jennifer Gelinas, en un comunicado.

El equipo está integrando su sistema con varias plataformas experimentales, con el objetivo de mejorar la función de la red neuronal y las habilidades cognitivas.

Esquema simplificado de la ubicación general y la ubicación del dispositivo en una rata.ZIFANG ZHAO Y CLAUDIA CEA / COLUMBIA ENGINEERING

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Alcance neuronal

Para comprender el alcance de esta tecnología hay que tener en cuenta la complicada tarea que supone la identificación de la actividad neuronal relacionada con enfermedades cerebrales, la detección de anomalías y el envío de estimulaciones idóneas para recuperar la actividad neuronal.

El cerebro humano tiene 86.000 millones de neuronas que interactúan entre ellas a ritmo trepidante a través de una red de sinapsis que aumenta exponencialmente el número de conexiones posibles.

En este contexto, identificar y conocer los circuitos cerebrales implicados en enfermedades neuropsiquiátricas es como buscar una aguja en un pajar. Por ejemplo, para cartografiar todos los datos del cerebro de un ratón se necesitan cifras astronómicas.

En el caso de la enfermedad de Parkinson, cuantos más diagramas de circuitos neuronales aparecen, más aumentan las redes cerebrales implicadas, destaca Nature.

Otro ejemplo: un estudio que analizó los procesos neuronales ligados a la formación de sinapsis y circuitos cerebrales relacionados con los trastornos del espectro autista (TEA) y del déficit de atención/hiperactividad (TDAH), concluyó que ambos son alteraciones funcionales de la corteza cerebral.

Los dos trastornos presentan anomalías estructurales en la disposición de las neuronas, en el patrón de conexiones de las columnas corticales y en la estructura de las espinas dendríticas, relacionadas con las conexiones excitatorias de las neuronas corticales.

Un dispositivo que pueda intervenir en las anomalías de estas conexiones neuronales, causadas por mutaciones genéticas, podría corregirlas y convertirse en eficaz tratamiento para ambos trastornos. Es lo que pretende el nuevo dispositivo.

Referencia

Responsive manipulation of neural circuit pathology by fully implantable, front-end multiplexed embedded neuroelectronics. Zifang Zhao et al. PNAS May 18, 2021 118 (20) e2022659118. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2022659118

Foto superior: Imagen de Gerd Altmann en Pixabay

 

RedacciónT21

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