Holograma con 50 neuronas seleccionadas distribuidas al azar, que abarcan una región cerebral de 500 micras cuadrados y 250 micras de profundidad. Universidad de Berkeley.
Utilizando impulsos lumínicos, un equipo de biólogos de la Universidad de Berkeley en Estados Unidos ha conseguido modular la actividad de numerosas neuronas al mismo tiempo.
Esta proeza tecnológica permitirá modificar la memoria, suprimir el dolor o introducir en el cerebro imágenes creadas específicamente para una terapia, utilizando solamente impulsos de luz que siguen un modelo holográfico. Los resultados de han publicado en la revista Nature.
La tecnología desarrollada por estos investigadores se denomina “modulador cerebral holográfico” y utiliza la foto estimulación holográfica para controlar ópticamente la actividad neuronal. El objetivo a medio plazo es controlar miles de neuronas simultáneamente según esquemas neurológicos típicos, con la finalidad de modificar la memoria e incluso recrear sensaciones artificiales en el sistema nervioso.
El dispositivo mide y analiza constantemente la actividad cerebral y, según en contexto ambiental o psicológico, decide qué neuronas deben ser estimuladas o inhibidas.
Según los investigadores, esta técnica permitirá a las personas ciegas “ver” lo que les rodea a través de una cámara que podría convertir las imágenes captadas en señales eléctricas neuronales que recrean el entorno, replicando así el papel del nervio óptico. Asimismo, sería posible valerse de una prótesis que desempeñe la misma función de la cámara, pero que recree la sensación del tacto.
“Esta técnica tiene un gran potencial para las prótesis neuronales gracias a su precisión, que permite al cerebro interpretar (correctamente) los esquemas de activación neuronal. Si podemos leer y escribir usando el lenguaje del cerebro, entonces es mucho más fácil comunicarse con él”, explica uno de los investigadores, Alan Mardinly, en un comunicado. Y añade: “Se trata de la primera etapa de un largo camino para desarrollar una tecnología de implante cerebral virtual creando o mejorando las sensaciones”.
Secciones tridimensionales del cerebro
Los autores de esta investigación han testado el dispositivo en cerebros de ratones, específicamente en regiones tridimensionales del cerebro que contienen entre 2.000 y 3.000 neuronas.
Han usado vectores virales, que son virus cuya carga viral se ha sustituido por un genoma artificial, con la finalidad de introducir en las neuronas una secuencia de ADN que permita la producción de unas proteínas particulares llamadas opsinas.
Las opsinas son proteínas capaces de reaccionar ante la luz adhiriéndose al retinal, una de las formas de la Vitamina A. Una de las funciones principales de la opsina es la de proveer un ambiente propicio para la absorción de luz. Forman parte del mecanismo de la visión en color de los animales. Para esta investigación, fueron creados utensilios opto-genéticos específicos que estimulan la actividad de las opsinas.
Los impulsos lumínicos fueron introducidos por los científicos en el cerebro de los ratones a través del Foramen magnum, también conocido como agujero magno, un orificio mayor situado en la parte pósteroinferior del cráneo (base del cráneo, piso témporo occipital), a través del cual se establece la continuidad del sistema nervioso central hacia la columna vertebral.
Esta proeza tecnológica permitirá modificar la memoria, suprimir el dolor o introducir en el cerebro imágenes creadas específicamente para una terapia, utilizando solamente impulsos de luz que siguen un modelo holográfico. Los resultados de han publicado en la revista Nature.
La tecnología desarrollada por estos investigadores se denomina “modulador cerebral holográfico” y utiliza la foto estimulación holográfica para controlar ópticamente la actividad neuronal. El objetivo a medio plazo es controlar miles de neuronas simultáneamente según esquemas neurológicos típicos, con la finalidad de modificar la memoria e incluso recrear sensaciones artificiales en el sistema nervioso.
El dispositivo mide y analiza constantemente la actividad cerebral y, según en contexto ambiental o psicológico, decide qué neuronas deben ser estimuladas o inhibidas.
Según los investigadores, esta técnica permitirá a las personas ciegas “ver” lo que les rodea a través de una cámara que podría convertir las imágenes captadas en señales eléctricas neuronales que recrean el entorno, replicando así el papel del nervio óptico. Asimismo, sería posible valerse de una prótesis que desempeñe la misma función de la cámara, pero que recree la sensación del tacto.
“Esta técnica tiene un gran potencial para las prótesis neuronales gracias a su precisión, que permite al cerebro interpretar (correctamente) los esquemas de activación neuronal. Si podemos leer y escribir usando el lenguaje del cerebro, entonces es mucho más fácil comunicarse con él”, explica uno de los investigadores, Alan Mardinly, en un comunicado. Y añade: “Se trata de la primera etapa de un largo camino para desarrollar una tecnología de implante cerebral virtual creando o mejorando las sensaciones”.
Secciones tridimensionales del cerebro
Los autores de esta investigación han testado el dispositivo en cerebros de ratones, específicamente en regiones tridimensionales del cerebro que contienen entre 2.000 y 3.000 neuronas.
Han usado vectores virales, que son virus cuya carga viral se ha sustituido por un genoma artificial, con la finalidad de introducir en las neuronas una secuencia de ADN que permita la producción de unas proteínas particulares llamadas opsinas.
Las opsinas son proteínas capaces de reaccionar ante la luz adhiriéndose al retinal, una de las formas de la Vitamina A. Una de las funciones principales de la opsina es la de proveer un ambiente propicio para la absorción de luz. Forman parte del mecanismo de la visión en color de los animales. Para esta investigación, fueron creados utensilios opto-genéticos específicos que estimulan la actividad de las opsinas.
Los impulsos lumínicos fueron introducidos por los científicos en el cerebro de los ratones a través del Foramen magnum, también conocido como agujero magno, un orificio mayor situado en la parte pósteroinferior del cráneo (base del cráneo, piso témporo occipital), a través del cual se establece la continuidad del sistema nervioso central hacia la columna vertebral.
Modelo holográfico de apoyo
Los impulsos lumínicos se produjeron a un ritmo aproximado de 300 por segundo. Cada uno de ellos activaba 50 neuronas a la vez. Y para conseguir que los impulsos activaran unas neuronas específicas, los investigadores se valieron de un modelo informático holográfico que generó un esquema 3D a partir de la curvatura y concentración de la luz.
Este esquema holográfico se proyectaba mediante un microscopio sobre el tejido de la corteza cerebral somatosensorial, que controla el tacto, la visión y la motricidad, permitiendo así modular individualmente la actividad de cada neurona.
Lo más importante de este experimento consiste en haber adquirido la capacidad de dirigirse a un grupo específico de neuronas para activarlas según la posición y la velocidad con la que funcionan naturalmente, destaca el investigador principal Nicolas Pégard.
Durante la experiencia, los ratones caminaban sobre un piso movedizo con su cabeza totalmente inmovilizada, con la finalidad de poder actuar sobre las neuronas seleccionadas. La actividad neuronal provocada por los impulsos lumínicos, analizada en tiempo real, resultó idéntica a la desarrollada por los ratones si corrían libremente por un suelo estable y en medio natural, lo que confirma que los estímulos inducidos artificialmente eran los correctos.
Los científicos destacan que el resultado tiene sus limitaciones, ya que la técnica sólo permite intervenir en una pequeña zona del cerebro y mediante un equipo pesado, si bien consideran que en el futuro el equipo podría llevarse en una mochila.
Lo que pretenden en la siguiente etapa de la investigación es entrenar a los ratones con la finalidad de detectar eventuales cambios de comportamiento como consecuencia de la modulación neuronal.
Además, se proponen obtener auténticos esquemas de la actividad cerebral en la corteza, con la finalidad de poder reproducirlos gracias a un modulador cerebral holográfico, para confirmar si obtienen la misma respuesta.
Los impulsos lumínicos se produjeron a un ritmo aproximado de 300 por segundo. Cada uno de ellos activaba 50 neuronas a la vez. Y para conseguir que los impulsos activaran unas neuronas específicas, los investigadores se valieron de un modelo informático holográfico que generó un esquema 3D a partir de la curvatura y concentración de la luz.
Este esquema holográfico se proyectaba mediante un microscopio sobre el tejido de la corteza cerebral somatosensorial, que controla el tacto, la visión y la motricidad, permitiendo así modular individualmente la actividad de cada neurona.
Lo más importante de este experimento consiste en haber adquirido la capacidad de dirigirse a un grupo específico de neuronas para activarlas según la posición y la velocidad con la que funcionan naturalmente, destaca el investigador principal Nicolas Pégard.
Durante la experiencia, los ratones caminaban sobre un piso movedizo con su cabeza totalmente inmovilizada, con la finalidad de poder actuar sobre las neuronas seleccionadas. La actividad neuronal provocada por los impulsos lumínicos, analizada en tiempo real, resultó idéntica a la desarrollada por los ratones si corrían libremente por un suelo estable y en medio natural, lo que confirma que los estímulos inducidos artificialmente eran los correctos.
Los científicos destacan que el resultado tiene sus limitaciones, ya que la técnica sólo permite intervenir en una pequeña zona del cerebro y mediante un equipo pesado, si bien consideran que en el futuro el equipo podría llevarse en una mochila.
Lo que pretenden en la siguiente etapa de la investigación es entrenar a los ratones con la finalidad de detectar eventuales cambios de comportamiento como consecuencia de la modulación neuronal.
Además, se proponen obtener auténticos esquemas de la actividad cerebral en la corteza, con la finalidad de poder reproducirlos gracias a un modulador cerebral holográfico, para confirmar si obtienen la misma respuesta.
Referencia
Precise multimodal optical control of neural ensemble activity. Alan R. Mardinly et al. Nature Neuroscience (2018). doi:10.1038/s41593-018-0139-8
Precise multimodal optical control of neural ensemble activity. Alan R. Mardinly et al. Nature Neuroscience (2018). doi:10.1038/s41593-018-0139-8