Los investigadores comúnmente estudian la función del cerebro monitoreando dos tipos de electromagnetismo:campos eléctricos y luz. Sin embargo, la mayoría de los métodos para medir estos fenómenos en el cerebro son muy invasivos.

Los ingenieros del MIT han ideado ahora una nueva técnica para detectar actividad eléctrica o señales ópticas en el cerebro utilizando un sensor mínimamente invasivo para imágenes de resonancia magnética (IRM).

La resonancia magnética se usa a menudo para medir cambios en el flujo sanguíneo que representan indirectamente la actividad cerebral, pero el equipo del MIT ha ideado un nuevo tipo de sensor de resonancia magnética que puede detectar pequeñas corrientes eléctricas, así como la luz producida por proteínas luminiscentes. (Los impulsos eléctricos surgen de las comunicaciones internas del cerebro, y las señales ópticas pueden ser producidas por una variedad de moléculas desarrolladas por químicos y bioingenieros).

"La resonancia magnética ofrece una forma de detectar cosas desde el exterior del cuerpo de una manera mínimamente invasiva, "dice Aviad Hai, un postdoctorado del MIT y el autor principal del estudio. "No requiere una conexión por cable en el cerebro. Podemos implantar el sensor y dejarlo allí".

Este tipo de sensor podría brindar a los neurocientíficos una forma espacialmente precisa de identificar la actividad eléctrica en el cerebro. También se puede utilizar para medir la luz, y podría adaptarse para medir sustancias químicas como la glucosa, dicen los investigadores.

Alan Jasanoff, un profesor de ingeniería biológica del MIT, ciencias cerebrales y cognitivas, y ciencia e ingeniería nucleares, y miembro asociado del Instituto McGovern de Investigación del Cerebro del MIT, es el autor principal del artículo, que aparece en la edición del 22 de octubre de Ingeniería Biomédica de la Naturaleza . Los postdoctorados Virginia Spanoudaki y Benjamin Bartelle también son autores del artículo.

Detectando campos eléctricos

El laboratorio de Jasanoff ha desarrollado previamente sensores de resonancia magnética que pueden detectar calcio y neurotransmisores como la serotonina y la dopamina. En este papel, querían ampliar su enfoque para detectar fenómenos biofísicos como la electricidad y la luz. En la actualidad, la forma más precisa de monitorear la actividad eléctrica en el cerebro es insertando un electrodo, que es muy invasivo y puede causar daño tisular. La electroencefalografía (EEG) es una forma no invasiva de medir la actividad eléctrica en el cerebro, pero este método no puede precisar el origen de la actividad.

Para crear un sensor que pueda detectar campos electromagnéticos con precisión espacial, los investigadores se dieron cuenta de que podían usar un dispositivo electrónico, específicamente, una pequeña antena de radio.

La resonancia magnética funciona detectando las ondas de radio emitidas por los núcleos de los átomos de hidrógeno en el agua. Estas señales generalmente son detectadas por una gran antena de radio dentro de un escáner de resonancia magnética. Para este estudio, El equipo del MIT redujo la antena de radio a unos pocos milímetros de tamaño para que pudiera implantarse directamente en el cerebro para recibir las ondas de radio generadas por el agua en el tejido cerebral.

El sensor está inicialmente sintonizado a la misma frecuencia que las ondas de radio emitidas por los átomos de hidrógeno. Cuando el sensor capta una señal electromagnética del tejido, su sintonía cambia y el sensor ya no coincide con la frecuencia de los átomos de hidrógeno. Cuando esto pasa, una imagen más débil surge cuando el sensor es escaneado por una máquina de resonancia magnética externa.

Los investigadores demostraron que los sensores pueden captar señales eléctricas similares a las producidas por los potenciales de acción (los impulsos eléctricos disparados por neuronas individuales), o potenciales de campo local (la suma de las corrientes eléctricas producidas por un grupo de neuronas).

"Demostramos que estos dispositivos son sensibles a potenciales de escala biológica, del orden de milivoltios, que son comparables a lo que genera el tejido biológico, especialmente en el cerebro, "Dice Jasanoff.

Los investigadores realizaron pruebas adicionales en ratas para estudiar si los sensores podían captar señales en el tejido cerebral vivo. Para esos experimentos, diseñaron los sensores para detectar la luz emitida por células diseñadas para expresar la proteína luciferasa.

Normalmente, La ubicación exacta de la luciferasa no se puede determinar cuando está profundamente dentro del cerebro u otros tejidos, por lo que el nuevo sensor ofrece una forma de expandir la utilidad de la luciferasa y localizar con mayor precisión las células que emiten luz, dicen los investigadores. La luciferasa se modifica comúnmente en células junto con otro gen de interés, permitiendo a los investigadores determinar si los genes se han incorporado con éxito midiendo la luz producida.

Sensores más pequeños

Una gran ventaja de este sensor es que no necesita llevar ningún tipo de fuente de alimentación, porque las señales de radio que emite el escáner de resonancia magnética externo son suficientes para alimentar el sensor.

Hai que se unirá a la facultad de la Universidad de Wisconsin en Madison en enero, planea miniaturizar aún más los sensores para que se puedan inyectar más de ellos, permitiendo la obtención de imágenes de campos eléctricos o de luz en un área cerebral más grande. En este papel, los investigadores realizaron un modelo que mostró que un sensor de 250 micrones (unas pocas décimas de milímetro) debería ser capaz de detectar actividad eléctrica del orden de 100 milivoltios, similar a la cantidad de corriente en un potencial de acción neuronal.

El laboratorio de Jasanoff está interesado en utilizar este tipo de sensor para detectar señales neuronales en el cerebro, y prevén que también podría usarse para monitorear fenómenos electromagnéticos en otras partes del cuerpo, incluidas las contracciones musculares o la actividad cardíaca.

"Si los sensores fueran del orden de cientos de micrones, que es lo que sugiere el modelo en el futuro para esta tecnología, entonces podría imaginarse tomando una jeringa y distribuyendo un montón de ellos y simplemente dejándolos allí, "Dice Jasanoff." Lo que esto haría es proporcionar muchas lecturas locales al tener sensores distribuidos por todo el tejido ".