Los investigadores de la Northwestern University están construyendo vínculos sociales con rayos de luz.
Por primera vez en la historia, los ingenieros y neurobiólogos de Northwestern han programado de forma inalámbrica, y luego desprogramado, ratones para que interactúen socialmente entre sí en tiempo real. El avance se debe a un dispositivo ultraminiatura, inalámbrico,dispositivo sin batería y totalmente implantable que utiliza luz para activar las neuronas.
Este estudio es el primer artículo de optogenética un método para controlar neuronas con luz que explora las interacciones sociales dentro de grupos de animales, lo que antes era imposible con las tecnologías actuales.
La investigación se publicará el 10 de mayo en la revista neurociencia de la naturaleza .
La naturaleza delgada, flexible e inalámbrica del implante permite que los ratones se vean normales y se comporten con normalidad en entornos realistas, lo que permite a los investigadores observarlos en condiciones naturales. Investigaciones anteriores que utilizaban optogenética requerían cables de fibra óptica, que restringían los movimientos del ratón y provocabanenredarse durante interacciones sociales o en entornos complejos.
"Con tecnologías anteriores, no pudimos observar a varios animales interactuando socialmente en entornos complejos porque estaban atados", dijo la neurobióloga del noroeste Yevgenia Kozorovitskiy, quien diseñó el experimento. "Las fibras se romperían o los animales se enredarían.para hacer preguntas más complejas sobre el comportamiento de los animales en entornos realistas, necesitábamos esta innovadora tecnología inalámbrica. Es tremendo escapar de las ataduras ".
"Este documento representa la primera vez que hemos podido lograr implantes inalámbricos y sin batería para optogenética con control digital completo e independiente sobre varios dispositivos simultáneamente en un entorno determinado", dijo el pionero de la bioelectrónica de Northwestern, John A. Rogers, quienlideró el desarrollo de la tecnología. "La actividad cerebral en un animal aislado es interesante, pero ir más allá de la investigación en individuos a estudios de grupos complejos que interactúan socialmente es una de las fronteras más importantes y emocionantes de la neurociencia. Ahora tenemos la tecnología para investigar cómo se unenforma y ruptura entre los individuos en estos grupos y para examinar cómo las jerarquías sociales surgen de estas interacciones. "
Kozorovitskiy es profesora investigadora de biología molecular de Soretta y Henry Shapiro y profesora asociada de neurobiología en el Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. También es miembro del Chemistry of Life Processes Institute. Rogers es profesora Louis Simpson y Kimberly Querreyde Ciencia e Ingeniería de Materiales, Ingeniería Biomédica y Cirugía Neurológica en la Escuela de Ingeniería McCormick y la Escuela de Medicina Feinberg de la Universidad Northwestern y el director del Instituto Querrey Simpson de Bioelectrónica.
Kozorovitskiy y Rogers dirigieron el trabajo con Yonggang Huang, profesor de Ingeniería Mecánica Jan y Marcia Achenbach en McCormick, y Zhaoqian Xie, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad Tecnológica de Dalian en China. Los primeros coautores del artículo son Yiyuan Yang, Mingzheng Wu y Abraham Vázquez-Guardado, todos en Northwestern.
Promesa y problemas de la optogenética
Debido a que el cerebro humano es un sistema de casi 100 mil millones de neuronas entrelazadas, es extremadamente difícil sondear neuronas individuales o incluso grupos de neuronas. Introducida en modelos animales alrededor de 2005, la optogenética ofrece el control de neuronas específicas dirigidas genéticamente parapara probarlos con un detalle sin precedentes para estudiar su conectividad o la liberación de neurotransmisores. Los investigadores primero modifican las neuronas en ratones vivos para expresar un gen modificado de algas sensibles a la luz. Luego pueden usar luz externa para controlar y monitorear específicamente la actividad cerebral.ingeniería involucrada, el método aún no está aprobado en humanos.
"Suena como ciencia ficción, pero es una técnica increíblemente útil", dijo Kozorovitskiy. "La optogenética pronto podría usarse para corregir la ceguera o revertir la parálisis".
Sin embargo, los estudios de optogenética anteriores estaban limitados por la tecnología disponible para proporcionar luz. Aunque los investigadores podían sondear fácilmente un animal de forma aislada, era un desafío controlar simultáneamente la actividad neuronal en patrones flexibles dentro de grupos de animales que interactuaban socialmente. Los cables de fibra óptica generalmente surgíande la cabeza de un animal, conectándolo a una fuente de luz externa. Luego, se podría usar un programa de software para apagar y encender la luz, mientras se monitorea el comportamiento del animal.
"A medida que se mueven, las fibras tiran de diferentes formas", dijo Rogers. "Como era de esperar, estos efectos cambiaron los patrones de movimiento del animal. Por lo tanto, uno debe preguntarse: ¿Qué comportamiento está estudiando realmente?comportamientos naturales o comportamientos asociados con una restricción física? "
control inalámbrico en tiempo real
Rogers y su equipo desarrollaron un diminuto dispositivo inalámbrico que descansa suavemente sobre la superficie exterior del cráneo pero debajo de la piel y el pelaje de un animal pequeño. El dispositivo de medio milímetro de espesor se conecta a una sonda filamentosa fina y flexible con LED en elpunta, que se extiende hacia el cerebro a través de un pequeño defecto craneal.
El dispositivo en miniatura aprovecha los protocolos de comunicación de campo cercano, la misma tecnología utilizada en los teléfonos inteligentes para los pagos electrónicos. Los investigadores operan la luz de forma inalámbrica en tiempo real con una interfaz de usuario en una computadora. Una antena que rodea el recinto de los animales proporciona energía a la red inalámbricadispositivo, eliminando así la necesidad de una batería pesada y voluminosa.
Activando conexiones sociales
Para establecer una prueba de principio para la tecnología de Rogers, Kozorovitskiy y sus colegas diseñaron un experimento para explorar un enfoque optogenético para las interacciones sociales de control remoto entre pares o grupos de ratones.
Cuando los ratones estaban físicamente cerca unos de otros en un entorno cerrado, el equipo de Kozorovitskiy activaba de forma inalámbrica y sincrónica un conjunto de neuronas en una región del cerebro relacionada con la función ejecutiva de orden superior, lo que hacía que aumentaran la frecuencia y la duración de las interacciones sociales. Desincronizando la estimulación rápidamentedisminución de las interacciones sociales en el mismo par de ratones. En un entorno grupal, los investigadores podrían sesgar a un par elegido arbitrariamente para interactuar más que otros.
"En realidad, no pensamos que esto funcionaría", dijo Kozorovitskiy. "Hasta donde sabemos, esta es la primera evaluación directa de una hipótesis importante de larga data sobre la sincronía neuronal en el comportamiento social".
El estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de Salud y varias fundaciones.
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