Un aparato microscópico que consta de un diodo emisor de luz que controla la actividad de las neuronas, ha proporcionado a los investigadores un control inalámbrico sobre el comportamiento animal. El diminuto aparato, probado en ratones, es menos dañino que otros métodos usados para introducir luz en el cerebro, según informan los investigadores en la revista Science, y no ata a los ratones a la fuente de luz, lo que permite a los científicos estudiar comportamientos de manera más natural de lo que se podía hasta ahora.
Muchos grupos de neurocientíficos usan el método de control de las neuronas mediante la luz para estudiar la base neuronal del comportamiento. Para controlar las células de cerebro, los investigadores usan la optogenética, un método que sirve para modificar genéticamente las neuronas y que las permite activarse o anularse mediante destellos de luz.
La optogenética se ha usado para estudiar el sueño, la depresión y la epilepsia (ver "Decodificando el cerebro con luz" y "Uso de luz para detener convulsiones") y algún día puede que llegue a implantarse en pacientes humanos (como ejemplo, ver "Una compañía quiere curar la ceguera con optogenética"), Muchos de estos estudios han usado fibras óptica o LEDs relativamente grandes para controlar la actividad cerebral, lo que exige que el animal estudiado esté atado a un láser o a una fuente de energía.
Cuando Michael Bruchas, neurocientífico de la Universidad Washington en St. Louis (EE.UU.), empezó a usar la optogenética para estudiar los comportamientos relacionados con el estrés en ratones, le frustraron las limitaciones que los aparatos ponían a los estudios en los que había ento os complejos o múltiples ratones. Así que se asoció con John Rogers, científico de los materiales en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EE.UU.), y otros, para desarrollar "un aparato que tiene un perfil muy pequeño y ultrafino, es no invasivo y se puede controlar a distancia", explica Bruchas. "Te da mayores posibilidades para estudiar circuitos cableados para conductas específicas. Los animales pueden estar tanto en su jaula, como interactuando con otro animal o corriendo por una rueda".
El aparato flexible mide aproximadamente la quinta parte del grosor de un cabello humano y se puede implantar profundamente en el cerebro con la ayuda de una microaguja. Un adhesivo biodegradable sujeta el micro LED a la aguja, pero esa sujeción se pierde cuando el adhesivo, basado en la seda, se disuelve en cuestión de minutos. El aparato se queda en el cerebro al retirar la aguja. Un cable aún más fino que el aparato conecta el micro LED a los aparatos electrónicos que se colocan sobre la cabeza del ratón, incluyendo un transmisor inalámbrico. En conjunto el montaje pesa menos de un gramo, afirma Bruchas (un ratón pesa unos 30 gramos).
Los investigadores usaron los implantes para controlar la actividad de las neuronas del circuito de recompensa en los ratones. A los ratones con neuronas modificadas se les dejó andar libremente por un recinto en forma de Y en el que algunos caminos acababan en un pequeño agujero. Si el ratón metía la nariz en el agujero, el implante LED activaba las neuronas en su circuito de recompensa. Los ratones aprendieron a "autoestimularse", según el primer coautor del estudio, Jordan McCall de la Facultad de Medicina del la Universidad Washington.
Tras varias semanas en el cerebro, los aparatos micro LED produjeron menos lesiones, menos muerte de neuronas y menor respuesta inmune que los métodos convencionales a lo largo del mismo periodo. Y después de seis meses en el cerebro, el aparato miniaturizado seguía funcionando, afirma McCall.
Además, como los cuatro LEDs que se usaron son mucho más pequeños que una fibra óptica, los investigadores podían activar con precisión solo un puñado de neuronas en los cerebros de los roedores. "Si quieres controlar un gran volumen de tejido, los LEDs emparejados con fibra quizá sean más eficaces, pero si lo que quieres es alcanzar objetivos muy precisos en unas pocas células, lo que han logrado es una gran mejora", afirma Christian Wentz, fundador de Kendall Research, una start-up que también se dedica a desarrollar aparatos de optogenética inalámbrica (ver "Una start-up crea un router inalámbrico para el cerebro").
El minúsculo aparato de optogenética también contiene sensores de luz, calor, y actividad eléctrica, los cuales permitieron a los investigadores vigilar el correcto funcionamiento del aparato y activar neuronas sin recalentar el cerebro que las rodea.
Este tipo de aparato podría acabar usándose para controlar la actividad cerebral de forma automatizada: comunicándose con las neuronas a través de destellos de luz en respuesta a cambios químicos, de temperatura o eléctricos en el cerebro. "La capacidad de integrar sensores además de LEDs podría permitir un control de las funciones cerebrales en 'bucle cerrado', lo que sería útil para las aplicaciones en las que hay que leer y observar información al mismo tiempo", explica Ed Boyden, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (EE.UU.), uno de los coinventores de la optogenética.