Piezas artificiales de cerebro usan luz para comunicarse con neuronas reales
Crédito: Instituto de Ciencias Industriales, Universidad de Tokio
Una prótesis es un dispositivo artificial que reemplaza una parte lesionada o faltante del cuerpo. Puedes imaginar fácilmente un estereotipo de pirata con una pata de palo o la famosa mano robótica de Luke Skywalker. De manera menos dramática, piense en prótesis de la vieja escuela como anteojos y lentes de contacto que reemplazan los lentes naturales de nuestros ojos. Ahora trate de imaginar una prótesis que reemplace parte de un cerebro dañado. ¿Cómo podría ser la materia cerebral artificial? ¿Cómo funcionaría?
Crear tecnología neuroprotésica es el objetivo de un equipo internacional liderado por el investigador Ikerbasque Paolo Bonifazi del Instituto de Investigación Sanitaria Biocruces (Bilbao, España) y Timothe Levi del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio y del laboratorio IMS, Universidad de Burdeos. Aunque se han desarrollado varios tipos de neuronas artificiales, ninguna ha sido realmente práctica para las neuroprótesis. Uno de los mayores problemas es que las neuronas en el cerebro se comunican con mucha precisión, pero la salida eléctrica de la red neuronal eléctrica típica no puede dirigirse a neuronas específicas. Para superar este problema, el equipo convirtió las señales eléctricas en luz. Como explica Levi, «los avances en la tecnología optogenética nos permitieron apuntar con precisión a las neuronas en un área muy pequeña de nuestra red neuronal biológica».
La optogenética es una tecnología que aprovecha varias proteínas sensibles a la luz que se encuentran en las algas. y otros animales. Insertar estas proteínas en las neuronas es una especie de truco; una vez que están allí, la luz que brilla sobre una neurona la activará o la desactivará, según el tipo de proteína. En este caso, los investigadores utilizaron proteínas que fueron activadas específicamente por la luz azul. En su experimento, primero convirtieron la salida eléctrica de la red neuronal en picos en el patrón cuadriculado de cuadrados azules y negros. Luego, proyectaron este patrón sobre un cuadrado de 0,8 por 0,8 mm de la red neuronal biológica que crecía en el plato. Dentro de este cuadrado, solo las neuronas golpeadas por la luz proveniente de los cuadrados azules se activaron directamente.
El cultivo de neuronas en MEA se estimula mediante una técnica optogenética. Los patrones de luz de estimulación están definidos por la actividad de la red neuronal artificial en tiempo real. Las imágenes de estimulación de patrones se crean mediante la conversión de una actividad de red neuronal artificial de 64 a una imagen matricial de 8×8. Cada cuadrado representa una neurona artificial. Cuando el cuadrado es blanco, significa que hay un pico de actividad, cuando es negro, significa que no hay actividad. Una vez que se entrega una imagen VGA al proyector de video, una señal TTL simultánea adicional de la placa de hardware digital activa el generador de señal que controla la modulación de potencia de la fuente de luz azul del proyector de video. La imagen generada por el proyector de video se reduce (de unas catorce veces) a través de un microscopio epifluorescente vertical adaptado y se enfoca en el cultivo de neuronas ubicado en el plano focal del microscopio. Las neuronas vivas, después de aproximadamente cuatro semanas en cultivo y previamente transducidas con la variante rápida ChIEF de Channelrhodopsin2, responden a la estimulación de luz azul con activación neuronal evocada monitoreada tanto por imágenes de calcio rojo como por grabaciones de electrodos múltiples. Tenga en cuenta que la iluminación resalta la tira de metal de los electrodos Crédito: Instituto de Ciencias Industriales, Universidad de Tokio
La actividad espontánea en neuronas cultivadas produce actividad sincrónica que sigue un cierto tipo de ritmo. Este ritmo se define por la forma en que las neuronas están conectadas entre sí, los tipos de neuronas y su capacidad para adaptarse y cambiar.
«La clave de nuestro éxito», dice Levi, «fue comprender que los ritmos de las neuronas artificiales tenían que coincidir con las de las neuronas reales. Una vez que pudimos hacer esto, la red biológica pudo responder a las «melodías» enviadas por la artificial. Resultados preliminares obtenidos durante el proyecto europeo Brainbow, ayúdanos para diseñar estas neuronas artificiales biomiméticas».
Sintonizaron la red neuronal artificial para usar varios ritmos diferentes hasta que encontraron la mejor combinación. Se asignaron grupos de neuronas a píxeles específicos en la cuadrícula de imágenes y la actividad rítmica pudo cambiar el patrón visual que se mostró en las neuronas cultivadas. Los patrones de luz se mostraron en un área muy pequeña de las neuronas cultivadas y los investigadores pudieron verificar las reacciones locales, así como los cambios en los ritmos globales de la red biológica.
«Incorporar la optogenética en el sistema es un avance hacia la practicidad», dice Levi. «Permitirá que futuros dispositivos biomiméticos se comuniquen con tipos específicos de neuronas o dentro de circuitos neuronales específicos». El equipo es optimista de que los futuros dispositivos protésicos que utilicen su sistema podrán reemplazar los circuitos cerebrales dañados y restaurar la comunicación entre las regiones del cerebro. «En la Universidad de Tokio, en colaboración con el profesor Kohno y el doctor Ikeuchi, nos estamos centrando en el diseño de sistemas neuromórficos biohíbridos para crear una nueva generación de neuroprótesis», dice Levi.
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Un nuevo estudio permite que el cerebro y las neuronas artificiales se conecten a través de la web. Más información: Yossi Mosbacher et al, Hacia la comunicación neuroprotésica en tiempo real de in silico a la red neuronal biológica mediante estimulación optogenética modelada, Scientific Reports (2020). DOI: 10.1038/s41598-020-63934-4 Información de la revista: Scientific Reports
Proporcionado por la Universidad de Tokio Cita: Partes artificiales del cerebro usan luz para comunicarse con neuronas reales (19 de mayo de 2020) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-05-artificial-pieces-brain-real-neurons.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.