Philipp Gutruf, profesor de ingeniería biomédica de la Universidad de Arizona, es el primer autor del artículo Totalmente implantable, sistemas optoelectrónicos para sin batería, operación multimodal en la investigación en neurociencias, publicado en Electrónica de la naturaleza .

La optogenética es una técnica biológica que utiliza la luz para encender o apagar grupos de neuronas específicos en el cerebro. Por ejemplo, los investigadores pueden utilizar la estimulación optogenética para restaurar el movimiento en caso de parálisis o, en el futuro, para apagar las áreas del cerebro o la columna vertebral que causan dolor, eliminando la necesidad y la creciente dependencia de opioides y otros analgésicos.

"Estamos creando estas herramientas para comprender cómo funcionan las diferentes partes del cerebro, Gutruf dijo. "La ventaja de la optogenética es que tiene especificidad celular:puede apuntar a grupos específicos de neuronas e investigar su función y relación en el contexto de todo el cerebro".

En optogenética, los investigadores cargan neuronas específicas con proteínas llamadas opsinas, que convierten la luz en potenciales eléctricos que constituyen la función de una neurona. Cuando un investigador ilumina un área del cerebro, activa solo las neuronas cargadas con opsina.

Las primeras iteraciones de la optogenética implicaron enviar luz al cerebro a través de fibras ópticas, lo que significaba que los sujetos de prueba estaban atados físicamente a una estación de control. Los investigadores desarrollaron una técnica sin batería utilizando electrónica inalámbrica, lo que significaba que los sujetos podían moverse libremente.

Pero estos dispositivos todavía tenían sus propias limitaciones:eran voluminosos y, a menudo, se colocaban visiblemente fuera del cráneo. no permitieron un control preciso de la frecuencia o intensidad de la luz, y solo podían estimular un área del cerebro a la vez.

Tomando más control y menos espacio

"Con esta investigación, dimos dos o tres pasos más, ", Dijo Gutruf." Pudimos implementar un control digital sobre la intensidad y la frecuencia de la luz que se emite, y los dispositivos están muy miniaturizados, para que puedan implantarse debajo del cuero cabelludo. También podemos estimular de forma independiente múltiples lugares en el cerebro del mismo sujeto, que tampoco era posible antes ".

La capacidad de controlar la intensidad de la luz es fundamental porque permite a los investigadores controlar exactamente a qué parte del cerebro afecta la luz:cuanto más brillante es la luz, más lejos llegará. Además, controlar la intensidad de la luz significa controlar el calor generado por las fuentes de luz, y evitar la activación accidental de neuronas que son activadas por el calor.

El inalámbrico Los implantes sin batería funcionan con campos magnéticos oscilantes externos, y, a pesar de sus capacidades avanzadas, no son significativamente más grandes o más pesados ​​que las versiones anteriores. Además, un nuevo diseño de antena ha eliminado un problema al que se enfrentaban versiones anteriores de dispositivos optogenéticos, en el que la fuerza de la señal que se transmitía al dispositivo variaba según el ángulo del cerebro:un sujeto giraba la cabeza y la señal se debilitaba.

"Este sistema tiene dos antenas en un recinto, que cambiamos la señal de un lado a otro muy rápidamente para que podamos alimentar el implante en cualquier orientación, "Dijo Gutruf." En el futuro, esta técnica podría proporcionar implantes sin batería que proporcionen estimulación ininterrumpida sin la necesidad de quitar o reemplazar el dispositivo, resultando en procedimientos menos invasivos que los marcapasos o las técnicas de estimulación actuales ".

Los dispositivos se implantan con un procedimiento quirúrgico simple similar a las cirugías en las que los humanos están equipados con neuroestimuladores. o "marcapasos cerebrales". No causan efectos adversos a los sujetos, y su funcionalidad no se degrada en el cuerpo con el tiempo. Esto podría tener implicaciones para dispositivos médicos como marcapasos, que actualmente necesitan ser reemplazados cada cinco a 15 años.

El documento también demostró que los animales implantados con estos dispositivos se pueden obtener imágenes de forma segura con tomografía computarizada. o CT, y resonancia magnética, o resonancia magnética, que permiten conocimientos avanzados sobre parámetros clínicamente relevantes como el estado de los huesos y tejidos y la ubicación del dispositivo.