Científicos sustituyen con éxito el cerebelo de una rata por un chip

Un equipo de investigadores de la Universidad de Tel Aviv (TAU), en Israel, ha logrado restaurar en una rata una función cerebral previamente inhabilitada, mediante el implante de un cerebelo artificial.

Este avance abre una nueva vía a la posibilidad de desarrollar implantes cerebrales que sustituyan áreas del cerebro humano dañadas por infartos cerebrales u otras condiciones. Estos implantes podrían ayudar incluso a recuperar procesos de aprendizaje perdidos por efecto del envejecimiento.

Comunicación en dos direcciones

Según publica la revista Newscientist, los implantes de cóclea o las extremidades artificiales han probado ya que es posible conectar dispositivos electrónicos al cerebro. Sin embargo, hasta ahora, estos dispositivos han permitido sólo la comunicación en una dirección, desde el dispositivo hasta el cerebro o viceversa.

Lo que han conseguido el investigador de la Universidad de Tel Aviv, Matti Mintz, y sus colaboradores ha sido crear un cerebelo sintético que puede recibir señales sensoriales del tronco cerebral, una región que actúa como medio de transmisión de la información neurológica procedente del resto del cuerpo.

Pero no sólo eso: este cerebelo artificial es capaz de interpretar dichas señales y, después, enviar una señal a otra región diferente del mismo tronco cerebral, que a su vez impulsa a las neuronas motoras para que se ejecute un movimiento.

Según explicó Mintz en el último encuentro Strategies for Engineered Negligible Senescence, organizado por la Sens Foundation de California y celebrado en Cambridge, este logro probaría que se puede “registrar información procedente del cerebro, analizarla de manera similar a como lo hace la red biológica, y devolverla al cerebro de nuevo”.

Desarrollo del experimento

Una de las funciones del cerebelo natural es ayudar a coordinar y a cronometrar los movimientos. Esto, junto al hecho de que el cerebelo tiene una arquitectura neuronal sencilla, lo convierte en una región del cerebro óptima para su reproducción sintética. Mintz afirma que “conocemos la anatomía del cerebelo y algunos de sus comportamientos casi perfectamente”.

Los científicos analizaron las señales enviadas a un cerebelo real y las señales que éste generaba como respuesta. Después, usaron esta información para crear una versión artificial del cerebelo en un chip, que fue situado en el exterior del cráneo de la rata y conectado al cerebro de ésta a través de electrodos.

Para probar el chip, en primer lugar se anestesió a la rata y se le incapacitó su cerebelo real. Después, se intentó enseñar al animal un reflejo motor condicionado, un parpadeo, mediante la combinación de un tono auditivo y una ráfaga de aire vertida sobre sus ojos.

El animal fue incapaz de aprender este reflejo antes de que le fuera incorporado el chip. Sin embargo, una vez que le fue conectado el cerebelo sintético, se comportó como un animal corriente, y aprendió a relacionar el sonido con la necesidad de parpadear. Por tanto, el circuito artificial funcionó como un circuito neurológico natural.

El siguiente paso que pretenden dar los investigadores es modelar áreas más extensas del cerebelo, que permitan aprender secuencias de movimientos, y probar un nuevo chip con estas características en otro animal consciente.

Según uno de los colaboradores de Mintz, el investigador Robert Prueckl, de Guger Technologies en Graz, Austria, nuevos avances podrían producirse con el desarrollo de softwares mejorados y mejores técnicas de implantación de electrodos. El objetivo último será fabricar chips que mimeticen áreas complejas del cerebro.

Contexto de la investigación

En su presentación en el encuentro de la Sens Foundation, Mintz explicó que la calidad y la esperanza de vida humanas se ven condicionadas por numerosas enfermedades cerebrales. En la actualidad, la recuperación de estos problemas está basada en intervenciones dirigidas a la activación de procesos de auto-reparación cerebral.

Se espera que futuros avances en intervenciones biológicas, como las intervenciones genéticas o las terapias con células madre puedan promover la recuperación neuronal. Pero otra estrategia factible sería la de sustituir microcircuitos neuronales naturales por sus análogos sintéticos.

Décadas de interacción entre las investigaciones científicas, los desarrollos tecnológicos y la demanda clínica creciente han dado lugar a nuevas técnicas de registro y estimulación de diversas áreas del cerebro.

Hasta la fecha, la estimulación del cerebro ha conseguido paliar una gama de síntomas del Parkinson o del Trastorno obsesivo-compulsivo (TOC), y los análisis en regiones cerebrales profundas han permitido detectar el origen neuronal de los ataques epilépticos. La esperanza es que estas dos técnicas puedan ser interconectadas por un procesador a tiempo real, y utilizadas en sincronía con el cerebro.

“Nuestro objetivo”, escribe Mintz, “era probar la factibilidad de una metodología híbrida de circuito cerrado para la rehabilitación de funciones cerebrales, mediante la sustitución de un microcircuito cerebral dañado”. Los resultados obtenidos han demostrado que esta metodología funciona.

Avance previo

En junio de 2010, Mintz y sus colaboradores anunciaron la creación de otro chip, el Rehabilitation Nano Chip o ReNaChip, capaz de proporcionar una estimulación precisa a regiones profundas del cerebro, lo que permitiría aliviar los efectos de trastornos como la depresión o el Parkinson. Estos trastornos requieren de una estimulación neuronal de gran precisión.

Pero, además, según publicó la Universidad de Tel Aviv en un comunicado, el ReNaChip podría usarse en un futuro para restaurar funciones cerebrales perdidas después de un traumatismo producido por un accidente de tráfico o un infarto cerebral.

La metodología utilizada por los investigadores en este caso consistió en registrar actividad neuronal a través de electrodos implantados en áreas dañadas del cerebro. A partir del análisis de esta actividad, se desarrollaron algoritmos para la estimulación de la actividad neuronal corriente, que fueron programados dentro del microchip para su posterior implantación en el cerebro.