Una nueva tecnología desvelará los secretos del cerebro profundo

Investigadores del Instituto de Tecnología de California, en Estados Unidos, han desarrollado una nueva tecnología denominada neurofotónica integrada que promete arrojar luz sobre los misterios ocultos en el llamado cerebro profundo, o sea aquellos circuitos neuronales que se desarrollan en áreas internas del cerebro y que la neurociencia aún no ha podido caracterizar y explicar. Son los mecanismos relacionados con procesos cognitivos complejos, aprendizaje de orden superior o ciertas funciones de la memoria.

Según una nota de prensa, la investigación publicada en la revista Neuron certifica que la nueva tecnología será capaz de mapear con gran detalle los circuitos neuronales que son responsables de tareas como procesar información sensorial o formar nuevos recuerdos, entre otros ejemplos. La gran ventaja es que permitirá observar en tiempo real la actividad de las miles o millones de neuronas que forman parte de un circuito cerebral en particular.

La neurofotónica integrada hace uso de pequeñas matrices de microchips ópticos, capaces de ser implantados a cualquier profundidad dentro del cerebro. Esta tecnología se combina con indicadores moleculares fluorescentes y actuadores optogenéticos. Los primeros sirven para monitorear ópticamente las neuronas, en tanto que los segundos se utilizan para controlar la actividad neuronal en el marco de un estudio.

¿Cómo funciona la nueva tecnología? En principio, las matrices ópticas producen rayos de luz que estimulan a las neuronas, las cuales han sido modificadas genéticamente para favorecer su reconocimiento. Debido a esto, el sistema logra registrar la actividad de cada neurona y descifrar su función, sin importar la profundidad a la que se encuentre el circuito neuronal dentro del cerebro.

Evolución tecnológica

Los estudios clásicos en neurociencias se basan en electrodos implantados para medir la actividad eléctrica de las neuronas. Sin embargo, con esta tecnología solamente es posible medir de forma confiable una única neurona de un circuito, una característica que supone una gran limitación cuando el propósito es llegar a comprender el funcionamiento del cerebro profundo.

En los últimos años, los neurocientíficos se han apoyado en la optogenética para comenzar a superar las limitaciones indicadas. De esta manera, es posible estudiar grupos cada vez más amplios de neuronas en animales modelo, como por ejemplo los roedores. Se utiliza un diseño genético que programa a las neuronas para expresar un marcador de proteína ante un estímulo lumínico, para de esta forma hacer visible su función.

Sin embargo, como el tejido cerebral dispersa y absorbe la luz, la optogenética también se ha encontrado con una fuerte limitación hasta hoy para estudiar el cerebro profundo. Es que la dispersión lumínica mencionada solamente hace posible trabajar con los marcadores ópticos en las regiones ubicadas a menos de dos milímetros de la superficie del cerebro, excluyendo lógicamente a las estructuras más profundas.

Implantes en áreas profundas del cerebro

En cambio, la neurofotónica integrada resuelve el problema con implantes cerca de circuitos neuronales complejos localizados en las profundidades del cerebro. Se incorporan elementos a microescala de un sistema de imágenes completo, haciendo posible registrar la actividad de cada neurona dentro de un grupo de 100.000 de ellas y en tiempo real.

Otra tecnología avanzada, como las imágenes por resonancia magnética funcional (fMRI), permiten escanear secciones de un milímetro cúbico del cerebro, que contienen aproximadamente 100.000 neuronas. Sin embargo, mientras la neurofotónica integrada puede registrar la actividad de cada una de esas 100.000 neuronas, la resonancia magnética funcional solamente es capaz de analizar la dinámica metabólica promedio de ese enorme conjunto de neuronas.

Los especialistas reconocen que la tecnología necesaria para avanzar en la neurofotónica integrada ya se encontraba disponible desde hace al menos una década, pero su esfuerzo ha sido aunar los distintos avances y presentarlos mediante una nueva técnica efectiva, que podría revolucionar los estudios en neurociencias en los próximos años.

Referencia

Integrated Neurophotonics: Toward Dense Volumetric Interrogation of Brain Circuit Activity—at Depth and in Real Time.Laurent C. Moreaux, Dimitri Yatsenko, Wesley D. Sacher et al. Neuron (2020).DOI:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2020.09.043

Foto: Daniel Öberg. Unsplash.