Con la mitad de los cráneos reemplazados por implantes translúcidos impresos en 3D, los ratones parecen sacados de una película de ciencia ficción. Sin embargo, se tapó la nariz, comió su comida con furia y se arregló como de costumbre. Mientras tanto, los sensores registraron vibraciones eléctricas en la mitad del cerebro.
Los implantes cerebrales han revolucionado la neurociencia. Nuestra percepción, pensamientos, sentimientos y recuerdos dependen de señales eléctricas transmitidas en redes de neuronas. Los implantes aprovechan estas señales y, a menudo con la ayuda de la IA, pueden interpretar rápidamente una actividad eléctrica aparentemente aleatoria en intención o movimiento.
Los llamados dispositivos de «lectura de la mente» traducen las señales cerebrales relacionadas con el habla en texto, lo que permite a las personas que han perdido la capacidad de hablar comunicarse directamente con sus seres queridos mediante la mente. Otros aprovechan las áreas motoras del cerebro o los nervios de la médula espinal para ayudar a las personas con accidentes cerebrovasculares graves a caminar nuevamente. Las señales neuronales, solas o combinadas con movimientos oculares, pueden controlar los cursores en la pantalla de una computadora, reabriendo el mundo digital a mensajes de texto paralizantes, búsquedas en Google y desplazamientos por las redes sociales.
Estos dispositivos han comenzado a mejorar la vida. Pero todo depende de la respuesta a una pregunta crítica: ¿cómo apoya el cerebro esas funciones? Hasta ahora, cada implante se ha centrado en una pequeña región del cerebro subyacente a una capacidad específica: controlar la visión o el movimiento.
Pero muchas de las funciones del cerebro dependen de señales u ondas cerebrales que se propagan por múltiples regiones y sincronizan la actividad eléctrica. La altura y la frecuencia de las ondas (algunas llegan más rápido y más cortas, otras más lentas y más largas) cambian la función general del cerebro.
Los científicos pueden medir estas ondas, pero a diferencia de una cámara de baja resolución, no pueden describir cómo se generan, propagan y finalmente mueren.
En un nuevo estudio, el implante transparente personalizado descrito anteriormente reemplaza el cráneo en ratones, dándoles una forma de mirar literalmente dentro del cerebro en busca de respuestas.
La evolución de las sondas cerebrales
Los implantes neuronales existen desde la década de 1980. La idea es sencilla. El cerebro utiliza señales eléctricas y químicas para procesar información. Los electrodos pueden tocar contactos eléctricos. Luego, un software sofisticado interpreta el código neuronal, lo que nos permite revivirlo y tratar los síntomas neurológicos cuando el código se rompe.
Hay algunas formas de trabajar. Grabar directamente neuronas individuales para ver qué se activa cuando se desafía a un ratón a realizar una tarea, generalmente en roedores. Otra tecnología registra grandes cantidades de actividad cerebral debajo del cráneo. Este enfoque sacrifica la resolución (ya no sabemos cómo se comporta cada neurona) pero ofrece un panorama más amplio.
El desafío es cómo combinar resolución y escala. Los esfuerzos anteriores se basaron en electrodos de densidad múltiple insertados en el cerebro. Cada implante, llamado NeuroPixels, es una potencia con más de 5000 sitios de grabación empaquetados en un paquete pequeño y duradero. «Con la misma sonda se pueden seguir y rastrear un gran número de neuronas individuales durante semanas y, en ocasiones, meses», escribieron entonces los autores del artículo sobre el implante.
Pero para medir la actividad en todo el cerebro, los científicos necesitan colocar múltiples dispositivos de neuropíxeles en todo el cerebro. Cada uno requiere perforar el cráneo y puede dañar la estructura en forma de vaina de plástico que protege el cerebro, conocida como barrera hematoencefálica. El daño de estas cirugías a menudo se agrava y desencadena una inflamación que puede cambiar el funcionamiento del cerebro durante semanas, aumentando el riesgo de infección.
Hasta ahora, los científicos han insertado ocho implantes para registrar la actividad de los ratones sobre sus vidas o cuando participan en experimentos. Mientras recibían nuevas ideas, los científicos luchaban por mantener sanos a los ratones después de múltiples cirugías. En otras palabras, los implantes NeuroPixel no causan problemas; todas las cirugías cerebrales sí los causan.
¿Podría haber una alternativa?
Un reemplazo 3D
Para evitar múltiples cirugías, el equipo del Instituto Allen detrás del nuevo estudio desarrolló un implante que cubre casi la mitad del cerebro de un ratón.
El implante, llamado escudo, se parece un poco al queso suizo moldeado. El andamio está cuidadosamente contorneado en una forma que imita perfectamente los cráneos de pequeños ratones.
Luego viene la personalización. El andamio del escudo tiene capacidad para 21 pequeños orificios de inserción para neuropíxeles. Los científicos pueden elegir estratégicamente dónde colocar agujeros para registrar múltiples regiones de interés del cerebro. Luego, el implante se imprime con resina, un líquido viscoso que se utiliza en la impresión 3D cotidiana.
«El implante de escudo es sencillo de fabricar internamente utilizando una impresora 3D disponible comercialmente y de costo relativamente bajo», escribió el equipo.
Después de la impresión, cada orificio se rellena temporalmente con caucho de silicona transparente. Como un parabrisas flexible, la goma protege el delicado tejido cerebral durante la implantación. Luego, Shield reemplaza la mitad del cráneo en una sola cirugía.
Suena impactante, pero el equipo se aseguró de que el método no dañara la salud ni el cerebro de los ratones. Las imágenes de sus cerebros dos meses después de la cirugía mostraron poco daño en la mayoría de los ratones, quienes continuaron con sus felices actividades después de un breve período de recuperación. Los niveles de inflamación cerebral también fueron más bajos durante el estudio.
Así es como fue. Las ratas observaron una de las ocho fotos que pasaban frente a ellas continuamente y luego aprendieron a lamer la golosina cuando la foto cambiaba. Durante la prueba, seis implantes NeuroPixel registraron la actividad cerebral relacionada con la tarea. La posición de los implantes se cambió diariamente durante cuatro días, recogiendo señales neuronales de un total de aproximadamente 25 regiones cerebrales diferentes.
Otra prueba investigó los posibles fundamentos de las ondas cerebrales descubiertas por primera vez en la década de 1920. Estas oscilaciones neuronales, conocidas como ondas alfa, están asociadas con estados de relajación y meditación. En los humanos, las ondas cerebrales generalmente se monitorean usando un gorro tipo gorro cubierto con electrodos que registran grandes áreas del cerebro. Con la ayuda de la IA, las grabaciones de neuropíxeles en todo el cerebro se ubican en señales que se asemejan a ondas alfa.
En total, el equipo realizó grabaciones consistentes y de alta calidad de 25 ratones, con 467 inserciones de sondas en aproximadamente 90 ensayos diferentes.
«Por lo tanto, este trabajo va más allá de una mera prueba de concepto», escribió el equipo, proporcionando en cambio una receta sólida para registrar múltiples regiones del cerebro y miles de neuronas durante varios días con una cirugía inicial.
Y hay un beneficio final. Como el escudo es translúcido, los científicos pueden manipular la actividad cerebral utilizando la luz. El método, llamado optogenética, altera la actividad cerebral con destellos de luz (aumentándola o reduciéndola), dando a los científicos una idea de las redes neuronales de los pensamientos, las emociones y los recuerdos.
Los autores compartieron los archivos impresos en 3D del andamio con otros científicos para diseñar sus propios implantes personalizados.
Crédito de la imagen: Ralph/Pixabay
