El dispositivo inalámbrico implantado hace que los ratones formen un vínculo instantáneo

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 interactuar socialmente entre sí en tiempo real. El progreso es gracias a un dispositivo ultraminiatura, inalámbrico, sin batería y totalmente implantable, el primero en su tipo, que utiliza luz para activar las neuronas.

Este estudio es el primer artículo sobre optogenética (un método para controlar neuronas con luz) que explora las interacciones sociales dentro de grupos de animales, algo que antes era imposible con las tecnologías actuales.

La investigación se publicó hoy (10 de mayo) en la revista Nature Neuroscience.

La naturaleza delgada, flexible e inalámbrica del implante permite que los ratones parezcan normales y se comporten normalmente en entornos realistas, lo que permite a los investigadores observarlos en condiciones naturales. Investigaciones anteriores que utilizaban optogenética requerían hebras de fibra óptica, lo que restringía los movimientos de los ratones y provocaba que se enredaran durante las interacciones sociales o en entornos complejos.

«Con tecnologías anteriores, no pudimos observar más animales interactuando socialmente en entornos complejos porque estaban vinculados», 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 extraordinario alejarse de las cadenas. «

«Este documento representa la primera vez que hemos podido construir implantes optogenéticos inalámbricos y sin batería con control digital completo e independiente en múltiples dispositivos simultáneamente en un entorno dado», dijo el pionero de la bioelectrónica de Northwestern, John A. Rogers, quien lideró el desarrollo tecnológico. “La actividad cerebral en un animal aislado es interesante, pero ir más allá de la investigación en individuos para estudiar grupos complejos y que interactúan socialmente es una de las fronteras más importantes y emocionantes de la neurociencia. Ahora tenemos la tecnología para estudiar cómo se forman y rompen los lazos entre los individuos de estos grupos y para examinar cómo surgen las jerarquías sociales de estas interacciones.

Kozorovitskiy es profesor de investigación de biología molecular de Soretta y Henry Shapiro y profesor asociado de neurobiología en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern. También es miembro del Instituto de Química de los Procesos de la Vida. Rogers es profesor Louis Simpson y Kimberly Querrey de 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 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 autores del documento son Yiyuan Yang, Mingzheng Wu y Abraham Vázquez-Guardado, todos en Noroeste.

Promesa de la optogenética, problemas.

Debido a que el cerebro humano es un sistema de casi 100 mil millones de neuronas entrelazadas, es extremadamente difícil sondear una o incluso grupos de neuronas. Introducida en modelos animales alrededor de 2005, la optogenética ofrece el control de neuronas específicas y dirigidas genéticamente para sondearlas con un detalle sin precedentes para estudiar su conectividad o 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. Debido a la ingeniería genética involucrada, el método aún no está aprobado en humanos.

«Suena a ciencia ficción, pero es una técnica increíblemente útil», dijo Kozorovitskiy. «La optogenética pronto podría usarse para corregir la ceguera o revertir la parálisis».

Suena a ciencia ficción, pero es una técnica increíblemente útil. La optogenética pronto podría utilizarse para corregir la ceguera o la parálisis inversa «. Yevgenia Kozorovitskiy
neurobiólogo

Sin embargo, los estudios optogenéticos anteriores estaban limitados por la tecnología disponible para proporcionar luz. Aunque los investigadores pudieron sondear fácilmente un animal aislado, fue difícil controlar simultáneamente la actividad neuronal en patrones flexibles dentro de grupos de animales que interactúan socialmente. Los hilos de fibra óptica normalmente salen de la cabeza de un animal y se conectan a una fuente de luz externa. Luego, se podría usar un programa de software para apagar y encender la luz, monitoreando el comportamiento del animal.

«A medida que se mueven, las fibras se tiran de diferentes formas», dijo Rogers. “Como era de esperar, estos efectos cambiaron los patrones de movimiento del animal. Uno, por lo tanto, debe preguntarse: ¿Qué comportamiento está estudiando realmente? ¿Está estudiando comportamientos naturales o comportamientos asociados con un vínculo físico? «

Control inalámbrico en tiempo real

Rogers, un líder de renombre mundial en tecnología inalámbrica y portátil, y su equipo han desarrollado 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 grosor se conecta a una sonda filamentosa delgada y flexible con LED en la punta, que se extienden hasta 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 utilizan 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 suministra energía al dispositivo inalámbrico, eliminando así la necesidad de una batería voluminosa y pesada.

Activación de conexiones sociales

Para establecer la prueba de principio de la tecnología de Rogers, Kozorovitskiy y sus colegas diseñaron un experimento para explorar un enfoque optogenético para el control remoto de interacciones sociales entre pares o grupos de ratones.

Cuando los ratones estaban físicamente cerca unos de otros en un entorno cerrado, el equipo de Kozorovitskiy activó de forma inalámbrica y sincrónica una serie de neuronas en una región del cerebro relacionada con la función ejecutiva de orden superior, aumentando la frecuencia y la duración de las interacciones sociales. La desincronización por estimulación redujo fácilmente las interacciones sociales en el mismo par de ratones. En un entorno de grupo, los investigadores podrían influir en un par elegido arbitrariamente para interactuar más que otros.

«Realmente no pensamos que funcionaría», dijo Kozorovitskiy. «Hasta donde sabemos, esta es la primera evaluación directa de una importante hipótesis de larga data sobre la sincronía neuronal en el comportamiento social».

El estudio, «Dispositivos multilaterales inalámbricos para estudios optogenéticos del comportamiento individual y social», fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de Salud y varias fundaciones.