El implante neural monitorea múltiples áreas del cerebro a la vez, brinda nuevos conocimientos de neurociencia
La sonda neural flexible permite que la distancia de trabajo del microscopio esté cerca de la superficie (arriba), mientras que una sonda convencional con partes rígidas hace que la distancia de trabajo (rojo flechas) mucho más lejos (abajo). Crédito: Nature Neuroscience
¿Cómo se comunican entre sí las diferentes partes del cerebro durante el aprendizaje y la formación de la memoria? Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de California en San Diego da un primer paso para responder a esta pregunta fundamental de la neurociencia.
El estudio fue posible gracias al desarrollo de un implante neural que monitorea la actividad de diferentes partes del cerebro al mismo tiempo, desde la superficie hasta las estructuras profundas, una novedad en el campo. Utilizando esta nueva tecnología, los investigadores muestran que se producen diversos patrones de comunicación bidireccional entre dos regiones del cerebro conocidas por desempeñar un papel en el aprendizaje y la formación de la memoria: el hipocampo y la corteza cerebral. Los investigadores también muestran que estos diferentes patrones de comunicación están vinculados a eventos llamados ondas de onda aguda, que ocurren en el hipocampo durante el sueño y el descanso.
Los investigadores publicaron sus hallazgos el 19 de abril en Nature Neuroscience.
«Esta tecnología se ha desarrollado particularmente para estudiar las interacciones y las comunicaciones entre diferentes regiones del cerebro simultáneamente», dijo el coautor correspondiente Duygu Kuzum, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería UC San Diego Jacobs. «Nuestro implante neural es versátil; se puede aplicar a cualquier área del cerebro y puede permitir el estudio de otras regiones cerebrales corticales y subcorticales, no solo el hipocampo y la corteza cerebral».
«Poco se sabe sobre cómo varias regiones del cerebro trabajan juntas para generar cognición y comportamiento», dijo Takaki Komiyama, profesor de neurobiología y neurociencias en la Facultad de Medicina y División de Ciencias Biológicas de UC San Diego, quien es el otro coautor del estudio. «En contraste con el enfoque tradicional de estudiar un área del cerebro a la vez, la nueva tecnología introducida en este estudio comenzará a permitirnos aprender cómo funciona el cerebro en su conjunto para controlar los comportamientos y cómo el proceso podría verse comprometido en los trastornos neurológicos. .»
El implante neural está hecho de una tira de polímero delgada, transparente y flexible fabricada con una serie de electrodos de oro del tamaño de un micrómetro, sobre los cuales se han depositado nanopartículas de platino. Cada electrodo está conectado por un cable delgado de micrómetros a una placa de circuito impresa personalizada. El laboratorio de Kuzum desarrolló el implante. Trabajaron con el laboratorio de Komiyama para realizar estudios de imágenes cerebrales en ratones transgénicos.
Imágenes SEM de la matriz de microelectrodos del implante neural. Crédito: Nature Neuroscience
Ingeniería de una sonda neural multiuso
Lo que hace que este implante neural sea único es que puede usarse para monitorear la actividad en múltiples regiones del cerebro al mismo tiempo. Puede registrar señales eléctricas de neuronas individuales en lo profundo del cerebro, como en el hipocampo, mientras obtiene imágenes de áreas grandes como la corteza cerebral.
«Nuestra sonda nos permite combinar estas modalidades en el mismo experimento sin problemas. Esto no se puede hacer con las tecnologías actuales», dijo Xin Liu, un Ph.D. en ingeniería eléctrica e informática. estudiante en el laboratorio de Kuzum. Liu es coautor del estudio junto con Chi Ren, un reciente doctorado en ciencias biológicas de UC San Diego. graduado que ahora es investigador postdoctoral en el laboratorio de Komiyama, y Yichen Lu, un Ph.D. en ingeniería eléctrica e informática. estudiante en el laboratorio de Kuzum.
Varias características de diseño hacen posible el monitoreo multi-región. Una es que esta sonda es flexible. Cuando se inserta profundamente en el cerebro para monitorear una región como el hipocampo, la parte que sobresale del cerebro se puede doblar hacia abajo y hacer espacio para que un microscopio se baje cerca de la superficie para obtener imágenes de la corteza cerebral en el Mismo tiempo. Las sondas neurales convencionales son rígidas, por lo que se interponen en el camino del microscopio; como resultado, no se pueden usar para monitorear estructuras cerebrales profundas mientras se toman imágenes de la superficie del cerebro. Y aunque la sonda neural del equipo de la UC San Diego es suave y flexible, está diseñada para resistir el pandeo bajo presión durante la inserción.
Otra característica importante es que esta sonda es transparente, por lo que le da al microscopio una clara campo de visión. Tampoco genera sombras ni ruido adicional durante la obtención de imágenes.
El implante neural conectado a una placa de circuito impreso personalizada. Crédito: Nature Neuroscience
Exploración de cuestiones fundamentales de la neurociencia
La motivación de este estudio fue llegar a la raíz de cómo se producen en el cerebro diferentes procesos cognitivos, como el aprendizaje y la formación de la memoria. Dichos procesos implican la comunicación entre el hipocampo y la corteza cerebral. Pero, ¿cómo ocurre exactamente esta comunicación? ¿Y qué región del cerebro inicia esta comunicación: el hipocampo o la corteza cerebral? Este tipo de preguntas han quedado sin respuesta porque es muy difícil estudiar estas dos regiones del cerebro simultáneamente, dijo Kuzum.
«Estábamos interesados en investigar la naturaleza de las interacciones entre la corteza y el hipocampo, por lo que construimos una tecnología para explorar este problema de la neurociencia», dijo.
Los investigadores usaron su sonda para monitorear la actividad del hipocampo y la corteza cerebral en ratones transgénicos. Específicamente, monitorearon la actividad antes, durante y después de las oscilaciones que ocurren en el hipocampo llamadas ondas de onda aguda.
Sus experimentos revelaron que la comunicación entre el hipocampo y la corteza cerebral tiene dos lados: a veces la corteza inicia la comunicación , otras veces es el hipocampo. Esta es una primera pista importante para comprender la comunicación entre regiones del cerebro, dijeron los investigadores.
«La interacción entre el hipocampo y la corteza es importante en la consolidación y recuperación de la memoria», dijo Ren. «La comunicación bilateral que informamos aquí es diferente de la noción convencional de que la corteza recibe pasivamente la información del hipocampo. En cambio, la corteza participa activamente en la codificación de información en el cerebro y puede desempeñar un papel instructivo durante la consolidación y recuperación de la memoria. .»
«Ahora podemos comenzar nuevos estudios para descubrir cómo suceden procesos como el aprendizaje y la memoria», dijo Kuzum. «Por ejemplo, cuando el cerebro adquiere nueva información, ¿cómo transfiere el hipocampo la memoria a la corteza para su almacenamiento, o envía la corteza una señal para transferir la memoria? Nuestros hallazgos muestran que la comunicación puede ser iniciada por cualquiera, pero para continuar más allá de eso, necesitaríamos hacer estudios de comportamiento».
Este estudio también revela que existen diversos y distintos modos de comunicación entre el hipocampo y la corteza cerebral. Los investigadores encontraron que el hipocampo se comunica con al menos ocho partes diferentes de la corteza cerebral cada vez que se producen ondas de onda aguda. Además, cada uno de estos ocho patrones de actividad cortical está vinculado a una población diferente de neuronas en el hipocampo.
«Estos hallazgos sugieren que las interacciones entre las regiones del cerebro, no solo entre la corteza y el hipocampo, pueden ser fundamentalmente diversas y flexible Por lo tanto, múltiples regiones del cerebro pueden trabajar juntas de manera eficiente para generar cognición y comportamiento que se adaptan rápidamente a entornos cambiantes «, dijo Ren.
Explorar más
¿Adónde voy? Pregúntele a su subículo Más información: Xin Liu et al, Las grabaciones neuronales multimodales con Neuro-FITM descubren diversos patrones de interacciones corticalhippocampal, Nature Neuroscience (2021). DOI: 10.1038/s41593-021-00841-5 Información de la revista: Nature Neuroscience
Proporcionado por la Universidad de California – San Diego Cita: El implante neural monitorea múltiples áreas del cerebro a la vez, proporciona nuevos conocimientos sobre neurociencia (27 de abril de 2021) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-04-neural-implant-multiple-brain-areas.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.