Una interfaz óptica de cerebro a cerebro admite el intercambio de información para el control de la locomoción
Un BtBI óptico transmite información sobre la velocidad locomotora a través de los cerebros. (A) Esquema del BtBI óptico. Los autores utilizaron fotometría de fibra para registrar la población de señales de Ca2+ de las neuronas NI del ratón Maestro, transformaron las señales en pulsos de láser azul y enviaron los pulsos láser al NI del ratón Avatar. DM, espejo dicroico; PMT, tubo fotomultiplicador; DAQ, adquisición de datos. (B) Trazas de ejemplo que muestran, de arriba a abajo, la velocidad locomotora del Maestro, la señal de Ca2+ de las neuronas NI del Maestro, la fórmula de transformación de la señal, la modulación de frecuencia de los pulsos de luz y la velocidad locomotora del Avatar. (C) Velocidades locomotoras de una diada BtBI representativa. (D) Correlación entre la velocidad del Maestro y la velocidad del Avatar (una díada BtTI representativa). Incidencia relativa significa la probabilidad de la velocidad de un Maestro específico y la velocidad del Avatar correspondiente en todos los datos de grabación. (E) Cuantificación de la tasa de transferencia de información del grupo de control (n = 12 díadas) y el grupo BtBI (n = 14 díadas). Crédito: Science China Press
Las comunicaciones entre dos individuos humanos o animales dependen convencionalmente de los sistemas sensoriales para la visión, la audición, el olfato o el tacto. La ciencia ficción ha popularizado el potencial de la transmisión directa de información entre cerebros para el control locomotor. Por ejemplo, en la película de 2009 «Avatar», los humanos usan sus mentes para controlar de forma remota los cerebros de los híbridos Na’vi-humanos para navegar en el mundo real. Varios estudios recientes propusieron la posibilidad de recuperar señales electrofisiológicas de un cerebro para influir en la actividad neuronal en otro cerebro a través de estimulación eléctrica o magnética transcraneal, sugiriendo el emocionante concepto de intercambio directo de información entre cerebros a través de las interfaces cerebro a cerebro (BtBI).
Sin embargo, los BtBI hasta ahora han requerido el uso de técnicas exigentes para grabaciones multicanal a largo plazo para decodificar la información de un codificador individual, y se han visto limitados por las bajas tasas de transmisión de información a un circuito neuronal de destino. Las grabaciones de una sola unidad multicanal son técnicamente desafiantes y, a menudo, carecen de especificidad de tipo celular. Las grabaciones de EEG son inaccesibles a las áreas subcorticales para decodificar con precisión la intención específica.
Además, las grabaciones de EEG de los potenciales evocados visualmente en estado estacionario requieren estimulación visual externa para generar la actividad cerebral en lugar de la actividad neuronal interna. Otro desafío radica en la necesidad de alimentar la información electrofisiológica, una vez decodificada, en los tipos de células y circuitos neuronales correctos en el cerebro objetivo. Debido a estas limitaciones técnicas, las tasas de transferencia de información a menudo se encontraban en el rango bajo de 0,004 a 0,033 bits/s. El uso de un BtBI para controlar la locomoción parece ser particularmente difícil, ya que la locomoción implica arranques y paradas frecuentes y cambios continuos de velocidad en una escala de subsegundos.
Un BtBI óptico permite que un ratón maestro controle la locomoción de un Avatar. ratón. Los gráficos muestran, de arriba a abajo, la velocidad locomotora del Avatar, el tiempo de los pulsos de luz (5 ms) entregados al ratón Avatar, la velocidad locomotora del Maestro y las señales de Ca2+ del NI del Maestro. El Maestro y el Avatar (abajo a la izquierda y a la derecha) tenían la cabeza fijada en dos cintas de correr con ruedas distantes. Tenga en cuenta que la díada caminó en sincronía con un ligero retraso. Crédito: Science China Press
Recientemente, el laboratorio del Dr. Minmin Luo publicó un artículo de investigación titulado «Una interfaz óptica de cerebro a cerebro admite la transmisión rápida de información para un control de locomoción preciso», en la revista Science China Life Sciences. En este trabajo, los autores establecieron un BtBI óptico que admite la transmisión rápida de información para un control preciso de la locomoción, proporcionando así una demostración de prueba de principio del BtBI rápido para el control del comportamiento en tiempo real.
En este estudio, los autores demostraron un BtBI óptico que usaba fotometría de fibra para registrar la población de señales de Ca2+ de las neuronas NI del ratón Maestro, y luego transformaba las señales en pulsos de láser azul, y finalmente entregaba los pulsos láser en el NI del ratón Avatar. Este BtBI óptico dirigió a los ratones Avatar a imitar de cerca la locomoción de sus Maestros con una tasa de transferencia de información de aproximadamente tres dos órdenes de magnitud más alta que los BtBI anteriores.
Este estudio enfatiza la importancia de elegir circuitos neuronales apropiados y de elegir tecnologías adecuadas de prueba de circuitos al construir un BtBI de alto rendimiento. Primero, la elección de las estructuras cerebrales es importante para implementar BtBI relevantes para la tarea. Aquí, los autores recolectaron señales neuronales que informan con precisión el estado locomotor y controlan la velocidad locomotora de las neuronas NMB identificadas genéticamente en el NI de la protuberancia. En segundo lugar, la elección de la fotometría de fibra de las señales de Ca2+ ofrece varias ventajas: 1) registra de forma estable la actividad neuronal de la población de un tipo de célula específico que realiza funciones similares; 2) tiene una alta relación señal-ruido (SNR); 3) es fácil de implementar, ya que pasa por alto la tarea desafiante de la grabación de una sola unidad multicanal del comportamiento de los animales y evita la necesidad de una decodificación extensa de información de grandes conjuntos de datos. Finalmente, los autores utilizaron la estimulación optogenética, que también tiene la ventaja de ajustar la actividad de un conjunto de neuronas definidas genéticamente en un área cerebral determinada.
En resumen, este estudio demuestra un cerebro óptico para -Interfaz cerebral que admite la transmisión rápida de información para un control preciso de la locomoción y representó un paso importante hacia la realización del potencial completo de los BtBI.
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La optogenética sin implantes minimiza el daño cerebral durante la estimulación neuronal Más información: Lihui Lu et al, Una interfaz óptica de cerebro a cerebro admite la transmisión rápida de información para un control preciso de la locomoción , Ciencia Ciencias de la vida de China (2020). DOI: 10.1007/s11427-020-1675-x Información de la revista: Science China Life Sciences
Proporcionado por Science China Press Cita: Una conexión óptica de cerebro a cerebro la interfaz admite el intercambio de información para el control de la locomoción (7 de mayo de 2020) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-05-optical-brain-to-brain-interface-exchange-locomotion.html Este documento es 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.