University at Buffalo Los científicos usan campos magnéticos para estimular remotamente el cerebro y controlar los movimientos corporales.
Los científicos han usado nanopartículas magnéticas para estimular las neuronas en el cerebro para evocar los movimientos corporales de los ratones. Esta imagen muestra una sección de un cerebro de ratón con nanopartículas magnéticas inyectadas (de color rojo) que cubren las células específicas del cuerpo estriado.
Una imagen de luz transmitida muestra el estriado, una región del cerebro del ratón involucrada en la planificación de la actividad motora. La imagen se superpone con una visualización de color que resalta las células (en verde) que se dirigen a la neuroestimulación. Estas células se han infectado con un virus que les provoca la producción de canales iónicos sensibles a la temperatura, que pueden estimularse remotamente mediante calentamiento de nanopartículas magnéticas.
Los científicos han usado el magnetismo para activar pequeños grupos de células en el cerebro, induciendo movimientos corporales que incluyen correr, girar y perder el control de las extremidades, un logro que podría conducir a avances en el estudio y tratamiento de enfermedades neurológicas.
La técnica desarrollada por los investigadores se llama estimulación magneto-térmica. Le brinda a los neurocientíficos una nueva y poderosa herramienta: una forma remota y mínimamente invasiva para activar la actividad en el interior del cerebro, activando y desactivando células específicas para estudiar cómo afectan estos cambios a la fisiología.
"Se está haciendo mucho trabajo ahora para mapear los circuitos neuronales que controlan el comportamiento y las emociones", dice el investigador principal Arnd Pralle, PhD, profesor de física en la Universidad de la Facultad de Artes y Ciencias de Buffalo. "¿Cómo funciona la computadora de nuestra mente? La técnica que hemos desarrollado podría ayudar mucho a este esfuerzo ".
Comprender cómo funciona el cerebro, cómo las diferentes partes del órgano se comunican entre sí y controlar el comportamiento, es clave para desarrollar terapias para enfermedades que implican la lesión o mal funcionamiento de conjuntos específicos de neuronas. Las lesiones cerebrales traumáticas, la enfermedad de Parkinson, la distonía y la parálisis periférica pertenecen a esta categoría.
Los avances informados por el equipo de Pralle también podrían ayudar a los científicos que buscan tratar dolencias como la depresión y la epilepsia directamente a través de la estimulación cerebral.
El estudio, que se realizó con ratones, fue publicado el 15 de agosto en eLife, un periódico de acceso abierto y revisión por pares. El equipo de Pralle incluyó a los primeros autores Rahul Munshi, un candidato a doctorado en física de UB, y Shahnaz Qadri, PhD, investigador postdoctoral de la UB, junto con investigadores de UB, Philipps University of Marburg en Alemania y la Universidad de Santiago de Compostela en España.
La estimulación magneto-térmica implica el uso de nanopartículas magnéticas para estimular las neuronas equipadas con canales iónicos sensibles a la temperatura. Las células del cerebro disparan cuando las nanopartículas se calientan mediante un campo magnético externo, lo que provoca que los canales se abran.
Dirigirse a regiones cerebrales altamente específicas.
En ratones, el equipo de Pralle logró activar tres regiones distintas del cerebro para inducir funciones motoras específicas.
Estimular las células en la corteza motora causó que los animales se ejecuten, mientras que estimular las células en el cuerpo estriado provocó que los animales se dieran la vuelta. Cuando los científicos activaron una región más profunda del cerebro, los ratones se congeló, incapaz de mover sus extremidades.
"Usando nuestro método, podemos apuntar a un grupo muy pequeño de células, un área de aproximadamente 100 micrómetros, que tiene aproximadamente el ancho de un cabello humano", dice Pralle.
Cómo funciona la estimulación magneto-térmica
"Podemos apuntar a un grupo muy pequeño de células, un área de aproximadamente 100 micrómetros, que tiene aproximadamente el ancho de un cabello humano".
Arnd Pralle, profesor de física
Universidad en Buffalo
La estimulación magneto-térmica permite a los investigadores usar nanopartículas magnéticas calentadas para activar neuronas individuales dentro del cerebro.
Así es como funciona: en primer lugar, los científicos usan la ingeniería genética para introducir una hebra especial de ADN en las neuronas dirigidas, haciendo que estas células produzcan un canal iónico activado por el calor. Luego, los investigadores inyectan nanopartículas magnéticas especialmente diseñadas en la misma área del cerebro. Estas nanopartículas se adhieren a la superficie de las neuronas dirigidas, formando una cubierta delgada como la piel de una cebolla.
Cuando se aplica un campo magnético alterno al cerebro, hace que la magnetización de las nanopartículas fleche rápidamente, generando calor que calienta las células objetivo. Esto obliga a que se abran los canales iónicos sensibles a la temperatura, estimulando las neuronas para que disparen.
Las partículas que los investigadores utilizaron en el nuevo estudio de eLife consistieron en un núcleo de ferrita de cobalto rodeado por una capa de ferrita de manganeso.
Un avance sobre otros métodos, como la optogenética.
Pralle ha estado trabajando para promover la estimulación magneto-térmica durante aproximadamente una década. Anteriormente demostró la utilidad de la técnica para activar las neuronas en una placa de Petri, y luego para controlar el comportamiento de C. elegans , un pequeño nematodo.
Pralle dice que la estimulación magneto-térmica tiene algunos beneficios sobre otros métodos de estimulación cerebral profunda.
Una de las técnicas más conocidas, la optogenética, usa luz en lugar de magnetismo y calor para activar las células. Pero la optogenética típicamente requiere la implantación de pequeños cables de fibra óptica en el cerebro, mientras que la estimulación magneto-térmica se realiza remotamente, lo que es menos invasivo, dice Pralle. Agrega que incluso después de que los cerebros de los ratones se estimularon varias veces, las neuronas dirigidas no mostraron signos de daño.
El siguiente paso en la investigación es utilizar la estimulación magneto-térmica para activar y silenciar múltiples regiones del cerebro al mismo tiempo en ratones. Pralle está trabajando en este proyecto con la investigadora del Instituto Tecnológico de Massachusetts, Polina Anikeeva, y la Facultad de Medicina de Harvard. El equipo cuenta con $ 3.5 millones en fondos de los Institutos Nacionales de Salud para llevar a cabo estudios continuos.
La investigación publicada en eLife fue financiada por el Instituto Nacional de Salud Mental y el Programa de Ciencia de la Frontera Humana.