Un solo disparo transforma los cerebros de los ratones en máquinas de biomanufactura. Las proteínas sanguíneas convierten los productos químicos inyectados en una malla de electrodos suave y flexible que se envuelve sin problemas alrededor de delicados neuronas. Los pulsos de luz dirigidos a la malla calman las células hiperactivas. Mientras tanto, los ratones continúan con sus vidas felices, sin darse cuenta de que se han convertido en cyborgs.
Esta invención de ciencia ficción es idea de los científicos de la Universidad de Purdue que buscan reimaginar los implantes cerebrales.
Estos dispositivos, a menudo compuestos de microelectrodos rígidos, ya han cambiado vidas. Pueden recopilar señales eléctricas del cerebro o la médula espinal y traducir estas señales en habla o movimiento, devolviendo habilidades perdidas a personas con parálisis o enfermedades cerebrales. Los implantes también pueden estimular la actividad cerebral y sacar a las personas de la depresión severa.
Sin embargo, la mayoría de los implantes requieren una cirugía extensa y corren el riesgo de dañar el delicado tejido cerebral. La nueva tecnología evitaría estos inconvenientes al construir electrodos directamente en el lugar objetivo.
«Nuestro trabajo apunta a un futuro donde los médicos podrían ‘cultivar’ interfaces electrónicas suaves y sin cables dentro del cerebro utilizando la sangre del paciente, y luego regular suavemente la actividad cerebral desde fuera de la cabeza utilizando luz infrarroja cercana inofensiva», dijo el autor del estudio, Krishna Jayant, en un comunicado de prensa.
Sondas a montones
El cerebro produce todas nuestras sensaciones, movimientos, emociones y decisiones. Los científicos llevan mucho tiempo intentando decodificar y manipular su actividad con una variedad de hardware.
Algunos dispositivos utilizan electrodos para monitorear neuronas individuales en un plato de laboratorio. Otros se insertan físicamente en regiones del cerebro que codifican cognición y emoción. Algunos diseños se colocan en la parte superior del cerebro, sin perforar su delicado tejido, y capturan ondas cerebrales dinámicas como una cámara de lentes amplias.
Pero el tejido cerebral es suave y blandito; los microelectrodos no lo son. La diferencia a menudo conduce a cicatrización, pérdida de señales y una vida útil reducida del dispositivo. Reemplazar implantes rotos o infectados es quirúrgicamente complejo y puede dañar aún más el cerebro. Algunos expertos incluso han planteado preocupaciones éticas sobre el cuidado a largo plazo.
Una reciente explosión de materiales blandos y biocompatibles sugiere que son posibles alternativas, y hemos visto una ola de nuevas sondas creativas. Por ejemplo, una malla parecida a la seda se cierne sobre la superficie del cerebro, y una versión relacionada mapea la actividad eléctrica en organoides cerebrales. Otro dispositivo es más pequeño que una célula y, después de la inyección, se agarra a las células inmunitarias hacia el cerebro. Estos sistemas pueden registrar y alterar la actividad cerebral. Pero los implantes preconstruidos a menudo requieren cirugía y luchan por integrarse con sus anfitriones sin dañar el tejido circundante.
Entonces, ¿por qué no cultivar un electrodo directamente dentro del cerebro?
«La capacidad de sintetizar materiales [conductores] a pedido en un sitio objetivo podría superar las limitaciones de los implantes sintéticos convencionales», escribieron M.R. Antognazza y G. Lanzani en el Instituto Italiano de Tecnología, quienes no estuvieron involucrados en el estudio.
En Construcción
Nuestras células son fabricantes naturales, que constantemente ensamblan cosas como proteínas, mensajeros genéticos y membranas. Las células dependen de dos ingredientes esenciales para construir las estructuras complejas de la vida: Bloques de construcción biológicos y catalizadores para unirlos. Los materiales sintéticos funcionan de la misma manera. Los monómeros se unen como bloques de Lego para formar polímeros con la ayuda de un catalizador.
El descubrimiento de polímeros eléctricamente conductores, entretanto, ha galvanizado los esfuerzos para cultivar bioelectrónica viva directamente dentro del cuerpo. En un estudio anterior, los investigadores modificaron genéticamente células para producir un catalizador proteico que ayuda a ensamblar estructuras conductoras en las superficies de las neuronas vivas. Otro enfoque utilizó peróxido de hidrógeno, un elemento común en los botiquines, para compilar monómeros en electrodos confiables que monitorean nervios en sanguijuelas.
Estos primeros éxitos peculiares mostraron la promesa de la electrónica construida por el cerebro, pero enfrentaron límites estrictos. A menudo, la química dependía de catalizadores tóxicos para las neuronas. Incluso cuando se formaban con éxito, los electrodos en su mayoría solo escuchaban. Cambiar la actividad cerebral requería cables físicos adicionales.
El equipo de Purdue reescribió la receta. Diseñaron un monómero, llamado BDF, que con la ayuda de la hemoglobina, una proteína en los glóbulos rojos, se convierte en una malla suave, flexible y electricamente conductora que rodea a las neuronas en el lugar de la inyección. El electrodos se abraza a la anatomía del cerebro y se mueve con él, minimizando el daño físico. Responde a la luz infrarroja cercana y puede traducir los pulsos de luz desde fuera del cráneo en señales eléctricas que alteran la actividad cerebral.
«Nuestra idea clave fue dejar que la química del cuerpo haga el trabajo duro», dijo el autor del estudio, Sanket Samal.
El enfoque funcionó en varias pruebas. La inyección de BDF en filetes de carne de res y cordero produjo la malla de electrodos dentro de un día a la temperatura del cuerpo humano. En embriones de pez cebra, un favorito en la investigación neurocientífica, la reacción procedió sin problemas dentro de sus yemas. Más del 80 por ciento de los embriones sobrevivieron, se desarrollaron normalmente y nadaron activamente, sugiriendo un daño mínimo.
Pero las cenas de bistec y los peces translúcidos son muy diferentes de nuestros cerebros. Los ratones están más cerca. Con la ayuda de la sangre, BDF formó electrodos en los cortex motores de los ratones después de la inyección con una cirugía mínima. Los cerebros de los ratones mantuvieron un equilibrio normal de actividad mientras se movían por su entorno.
El equipo también persuadió a las dendritas, las ramas de entrada en forma de árbol de una neurona, para producir la malla conductora. Las dendritas no son solo cables pasivos, son «mini computadoras» que contribuyen a la computación y el aprendizaje del cerebro. Los métodos actuales luchan por identificar y controlar con precisión la actividad de la dendrita sin afectar otras partes de la neurona.
Con luz infrarroja cercana, los electrodos construidos por dendritas cambiaron la forma en que se comportaban las ramas neurales. La luz redujo temporalmente la actividad cerebral, y los ratones entrenados para presionar una palanca no pudieron realizar la tarea. Sin embargo, no borró su memoria: Después de apagar la luz, los animales recuperaron la habilidad. Sus cerebros no mostraron signos de infección, inflamación o sobrecalentamiento durante todo el estudio.
Inhibir las señales cerebrales tiene ventajas. La actividad cerebral hiperactiva en la epilepsia y la enfermedad de Parkinson, por ejemplo, se atenúa actualmente con medicamentos o —en casos graves— con implantes cerebrales. Si se valida, los electrodos cultivados en el cerebro podrían ser una alternativa menos invasiva. Aunque para ser claro, el método todavía requiere cirugía para inyectar los materiales. Agregar ingredientes magnéticos biocompatibles, que también pueden controlar la actividad cerebral, podría potenciar aún más el potencial del sistema.
Cuantro tiempo duran los materiales en su lugar y si son seguros a largo plazo aún queda por aclarar. Pero en teoría, la estrategia también podría controlar los nervios de la médula espinal o el tejido cardíaco. Los investigadores también podrían adaptar la estrategia para usar otros tipos de materiales que regulan la actividad cerebral de diferentes maneras, como aumentarla.
Con más mejoras, el electrodo no «simplemente coexistiría con las células cerebrales durante meses o años; se convertiría en parte de ellas, estable durante toda la vida», dijo Jayant.
