(Phys.org) —Las interfaces cerebro-máquina (BMI) son básicamente trucos. La razón por la que no escuchas mucho sobre ellos en estos días es porque, en la plenitud de los tiempos, un beneficio tangible significativo para un usuario no se ha materializado rotundamente. Indicado simplemente, ni matrices de microelectrodos espinosos, desgarradoras reelaboraciones optogenéticas para nuestra fisiología, ni tatuarnos el cerebro con fluorescentes tóxicos jamás nos dará lo que necesitamos. Por otra parte, si puede ver cómo los picos nativos burbujean sin ser molestados a través de los tractos axónicos desde lejos, sin ninguno de los peligros antes mencionados, podría estar en algo.

Si bien cualquier investigador serio del cerebro debe ser plenamente consciente de estas verdades en algún nivel instintivo, cualquier admisión colectiva como tal requeriría que se desecharan varios fundamentos básicos del campo. Para principiantes, esto significa dejar de lado la idea de que los picos están completamente descritos por los epifenómenos estrictamente eléctricos que los investigadores amplifican en sus osciloscopios. En otras palabras, representar axones como circuitos equivalentes que disipan irreversiblemente su energía de pico a través de varias impedancias es insuficiente. Afortunadamente, una masa crítica de investigadores ha desarrollado herramientas para sondear la física intrínseca más grande del pico. El objetivo es desarrollar una teoría más general de la excitabilidad en las células que pueda explicar todos los cambios físicos observados (como la dimensión, presión y temperatura). Su salsa secreta lo que eventualmente producirá dispositivos cerebrales que codiciamos, es la detección óptica sin etiquetas de picos mecánicos.

Aunque existe una larga trayectoria de trabajo en este campo, varios artículos recientes sugieren que finalmente estamos comenzando a comprender esta física. El primer artículo utiliza el método probado y verdadero de interferometría de fibra óptica para detectar los cambios de escala nanométrica en la longitud de la trayectoria óptica que ocurren cuando las células aumentan. El segundo artículo logra extraer excursiones de escala de 0,2 nm en la envoltura celular durante los picos utilizando técnicas de eliminación de ruido y sustracción de imágenes. Finalmente, un tercer conjunto informa sobre los enormes desplazamientos a escala micrométrica en las células de la planta Chara en punta, y revisa la intrigante pregunta de qué sucede cuando colisionan picos que viajan en direcciones opuestas.

¿Podemos hacer IMC prácticos con interferómetros?

Para que los IMC prácticos generalizados se conviertan en una realidad, probablemente tendrán que ser pequeños. Interferómetros clásicos de Michelson, el tipo que todo estudiante de física recrea en algún momento de un curso de laboratorio, generalmente no se han asociado con compacidad o configurabilidad. Si bien es adecuado para cosas como refutar el éter o vislumbrar ondas gravitacionales usando patas ópticas masivas, Los interferómetros de Michelson no siempre son la primera opción para experimentos biológicos. En lugar de, El interferómetro Mach-Zehnder se usa a menudo porque cada uno de sus caminos de luz bien separados solo se atraviesa una vez, haciéndolo mucho más versátil. Los moduladores Mach-Zehnder ahora se pueden construir como circuitos integrados monolíticos que tienen respuestas de fase y amplitud electroóptica de gran ancho de banda en un rango de frecuencia de múltiples GHz.

A pesar de las aparentes ventajas del Mach Zehnder, El autor Digant Dave del primer artículo dijo que usan el interferómetro de Michelson para sus experimentos porque la topología de ruta común proporciona una sensibilidad axial muy alta. En particular, pueden medir desplazamientos de menos de 0,1 nm en una preparación celular in vitro. El tamaño del punto del haz de la sonda es de ~ 4.5 μm y se logra una alta SNR intercalando neuronas entre dos piezas de vidrio. Los pulsos ópticos registrados variaron de 20 a 300 ms (en su mayoría por debajo de 50 ms), que es un poco más largo que el rango de 5 a 7 ms para los picos que registraron mediante la sujeción de parche.

Le pregunté a Dave cómo podría teóricamente hacerse una implementación de escaneo de nervios en 2-D in vivo de su configuración in vitro. Dijo que las puntas de fibra en sí mismas podrían ser tan pequeñas como 1 mm y usarse en cualquiera de dos modos:escaneo de trama del haz de la sonda, o adquirir imágenes 2-D mientras explora la longitud de onda de la fuente de luz de entrada. Con un milímetro de diámetro cada uno, Creo que debería ser posible enhebrar varias de estas sondas en el sistema ventricular del cerebro para escanear los vastos tractos axónicos que recubren las paredes del tercer y cuarto ventrículos. Justo debajo del cerebelo hay varios conductos de ventilación naturales que hacen circular el líquido cefalorraquídeo para equilibrar la presión. En particular, los Foramens de Magendi y Lushka serían ideales para este propósito.

Pendiente de una mayor miniaturización, Es posible que gran parte del hardware para el procesamiento de señales y quizás incluso la preparación del haz óptico deban permanecer estrechamente apostados o atados fuera del cuerpo. Sin embargo, de una preocupación más inmediata que el hardware, serían los efectos de la mielina en la señal. Hasta la fecha, la mayoría de los estudios se han realizado utilizando axones desnudos o células vegetales que han sido despojadas de su pared celular. La mielina podría absorber o atenuar los pulsos mecánicos y térmicos, o muy posiblemente podría tener un efecto amplificador sobre otras variables como la presión. Por ejemplo, cuando las células de Chara se 'plasmaron', como se informó en el tercer artículo, para eliminar la pared celular y la presión de turgencia asociada que proporciona, los desplazamientos de escala de 100 nm más pequeños se convirtieron en desplazamientos de escala de micrones.

Le pregunté a Digant qué pensaba sobre la posibilidad de medir los desplazamientos sin interferómetros, como se informó en el segundo artículo mencionado. Si bien notó que la sensibilidad de 0.2 nm era muy impresionante para un alcance de campo brillante estándar, observó que estas mediciones se realizaron lateralmente en la envolvente de la celda y requirieron un promedio significativo de cientos de fotogramas. Los autores también pudieron parchear simultáneamente las celdas para comparar la amplitud y la fase del pico registrado eléctricamente, sin embargo, esto en sí mismo puede complicar las mediciones mecánicas. En cuanto a implementar este tipo de registro como IMC, Creo que habría muchas dificultades.

Una pregunta pendiente con respecto a los picos es si tienen componentes no disipativos significativos. Amo otras cosas esto aparentemente influiría significativamente en la cantidad de energía que requieren y transportan. Estudios recientes han intentado determinar exactamente cuánto ATP necesitan los diferentes tipos de neuronas para aumentar, sin embargo, parece que muchas de sus suposiciones subyacentes son dudosas. Digant informa que muchos de los pulsos ópticos tienen componentes disipativos como se indica en múltiples ciclos de oscilación decreciente después de la estimulación. Planea comenzar estudios utilizando estimulación optogenética para eliminar cualquier artefacto introducido por el parche.

Una buena forma de controlar lo que sucede en las células con picos es observar lo que sucede cuando chocan los pulsos. En otras palabras, ¿Se aniquilan debido a la relajación de los canales iónicos como predice la teoría? ¿O pueden atravesarse unos a otros? Investigaciones anteriores han encontrado que los picos se propagan naturalmente en direcciones opuestas hacia abajo de los axones, y además, en algunos casos, pueden atravesarse sin verse afectados. Otro trabajo también ha demostrado que la velocidad, la amplitud y la forma de la espiga normalmente dependen de la dirección en la que se dirija. Los estudios más recientes informados aquí sobre colisiones en celdas Chara encontraron que los picos registrados eléctricamente en su mayoría se aniquilan tras la colisión.

Los autores sugieren que desde un punto de vista acústico, la aniquilación puede ser el resultado de propiedades materiales no lineales de todo el medio excitable. Debido a que ha habido algunas discrepancias entre la fase y las direcciones de la expansión celular en diferentes estudios con respecto al curso temporal del pico eléctrico, Las grabaciones ópticas de colisión probablemente serían informativas. Debemos notar que en axones, diferentes compartimentos de proteínas y lípidos pueden llevar diferentes formas de excitación. Por ejemplo, mientras que los canales iónicos se asocian típicamente con el pico eléctrico, Los fenómenos de ondas de tipo solitón pueden propagarse en membranas desnudas. En dias tempranos, los artículos originales de Hodgkin-Huxley sugirieron que los propios dipolos de membrana podrían ser responsables de los potenciales de acción.

Es más, el citoesqueleto de actina también puede propagar la excitación (aunque los pulsos generalmente duran más tiempo como en la contracción muscular), y también el citoesqueleto de tubulina parece soportar la excitación y la oscilación. Como se mencionó, la mielina probablemente también contribuya, posiblemente incluso a través de otros procesos físicos como la propagación de cambios de fase en los componentes lipídicos. Una cosa que podríamos tener en cuenta para las mediciones in vivo (particularmente para los nervios agrupados) es que diferentes fascículos pueden formar su propio sándwich óptico que se puede usar para la longitud de la ruta óptica de referencia como se hizo para el trabajo in vitro de Digand.

Un más descuidado, pero quizás la fuente más importante de excitación en las células o axones sean las mitocondrias. En las células del corazón por ejemplo, la llamada respuesta 'mitoflash', coordinado por hasta 8000 mitocondrias por célula, mantiene con precisión el 'punto de ajuste' de ATP en una carga de trabajo que se multiplica por diez. Esta excitación de mitoflash se compone en sí misma de varios componentes diferentes; las llamadas 'chispas redox', calcio, NADPH, protones, y otras moléculas se han registrado, por no mencionar los estudios recientes que muestran que los interiores de las mitocondrias que respiran activamente pueden superar los 50 grados C. anión superóxido, a veces asociado con el control directo del envejecimiento y la esperanza de vida, También se presume que es detectado por diferentes sondas mitoflash.

Debido a que las mitocondrias se concentran en los entrenudos de los axones, es muy posible que hagan una contribución significativa a la conducción saltatoria de los picos en los axones mielinizados. Teniendo en cuenta que el potencial de membrana en las mitocondrias es al menos el doble que el de la propia célula, y viene en muchos paquetes pequeños y móviles por neurona, puede que esto no sea demasiado sorprendente. La excitabilidad de toda la célula se controlaría mediante la dispersión o agregación de las mitocondrias en varias formaciones, quizás similar a cómo se controla el color de la piel mediante la movilización estratégica de los melanosomas. Más localmente, Se ha demostrado que mitoflash controla el tamaño y la morfología de las espinas dendríticas, lo que lleva a especulaciones desenfrenadas con respecto a la memoria.

Para los IMC, muchos desean ser prácticos algún día, no solo una teoría de los picos será esencial, pero sugeriría también la capacidad de detectar crear, o destruirlos mediante los mismos procesos físicos que los sustentan naturalmente.

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