Las máquinas se están volviendo acogedoras con nuestras células. Los sensores integrables registran cómo y cuándo se activan las neuronas; los electrodos encienden las células del corazón para que laten o las células del cerebro para que se disparen; Los dispositivos similares a neuronas podrían incluso fomentar un crecimiento más rápido después de la implantación en el cerebro.

Pronto, las llamadas interfaces cerebro-máquina podrían hacer aún más:monitorear y tratar los síntomas de trastornos neurológicos como la enfermedad de Parkinson, proporcionar un plan para diseñar inteligencia artificial, o incluso permitir la comunicación de cerebro a cerebro.

Para lograr lo alcanzable y lo quijotesco, Los dispositivos necesitan una forma de sumergirse literalmente más profundamente en nuestras células para realizar el reconocimiento. Cuanto más sepamos sobre cómo funcionan las neuronas, cuanto más podamos emular, reproducir exactamente, y trátalos con nuestras máquinas.

Ahora, en un artículo publicado en Nanotecnología de la naturaleza , Charles M. Lieber, el profesor de la Universidad Joshua y Beth Friedman, presenta una actualización de sus dispositivos a nanoescala originales para grabación intracelular, la primera nanotecnología desarrollada para registrar la vibración eléctrica dentro de una célula viva. Nueve años después Lieber y su equipo han diseñado una forma de fabricar miles de estos dispositivos a la vez, creando un ejército a nanoescala que podría acelerar los esfuerzos para descubrir qué está sucediendo dentro de nuestras células.

Antes del trabajo de Lieber, dispositivos similares enfrentaron un acertijo de Ricitos de Oro:demasiado grande, y grabarían señales internas pero matarían la célula. Demasiado pequeña, y no lograron atravesar la membrana celular, las grabaciones terminaron siendo ruidosas e imprecisas.

Los nuevos nanocables de Lieber eran perfectos. Diseñado e informado en 2010, los originales tenían una punta en forma de "V" a nanoescala con un transistor en la parte inferior de la "V". Este diseño podría perforar las membranas celulares y enviar datos precisos al equipo sin destruir la célula.

Pero había un problema. Los nanocables de silicio son mucho más largos que anchos, haciéndolos tambaleantes y difíciles de pelear. "Son tan flexibles como los fideos cocidos, "dice Anqi Zhang, estudiante de posgrado en Lieber Lab y uno de los autores del último trabajo del equipo.

Para crear los dispositivos originales, los miembros del laboratorio tenían que atrapar un fideo de nanocables a la vez, encuentra cada brazo de la "V, "y luego tejer los cables en el dispositivo de grabación. Un par de dispositivos tardaron de 2 a 3 semanas en fabricarse". Fue un trabajo muy tedioso, "dice Zhang.

Pero los nanocables no se fabrican uno a la vez; se hacen en masa como las mismas cosas que se parecen:espaguetis cocidos. Usando el método de vapor-líquido-sólido catalizado por nanocluster, que Lieber utilizó para crear los primeros nanocables, el equipo crea un entorno en el que los cables pueden germinar por sí solos. Pueden predeterminar el diámetro y la longitud de cada cable, pero no cómo se colocan los cables una vez que estén listos. A pesar de que cultivan miles o incluso millones de nanocables a la vez, el resultado final es un lío de espaguetis invisibles.

Para desenredar el lío Lieber y su equipo diseñaron una trampa para sus fideos cocidos sueltos:hacen trincheras en forma de U en una oblea de silicio y luego peinan los nanocables por la superficie. Este proceso de "peinado" desenreda el desorden y deposita cada nanoalambre en un orificio en forma de U ordenado. Luego, cada curva "U" obtiene un pequeño transistor, similar a la parte inferior de sus dispositivos en forma de "V".

Con el método de "peinado", Lieber y su equipo completan cientos de dispositivos de nanocables en la misma cantidad de tiempo que solían hacer solo un par. "Porque están muy bien alineados, son muy fáciles de controlar, "Dice Zhang.

Hasta aquí, Zhang y sus colegas han utilizado los dispositivos a nanoescala en forma de "U" para registrar señales intracelulares tanto en células neurales como cardíacas en cultivos. Recubierto con una sustancia que imita la sensación de una membrana celular, los nanocables pueden cruzar esta barrera con un esfuerzo mínimo o dañar la celda. Y, pueden registrar el parloteo intracelular con el mismo nivel de precisión que su mayor competidor:los electrodos de pinza de parche.

Los electrodos de pinza de parche son aproximadamente 100 veces más grandes que los nanocables. Como el nombre sugiere, la herramienta se sujeta a la membrana de una célula, causando daños irreversibles. El electrodo de pinza de parche puede capturar una grabación estable de las señales eléctricas dentro de las celdas. Pero, Zhang dice:"después de grabar, la celda muere ".

Los dispositivos a nanoescala en forma de "U" del equipo de Lieber son más amigables con sus anfitriones celulares. "Se pueden insertar en varias celdas en paralelo sin causar daños, "Dice Zhang.

Ahora, los dispositivos son tan suaves que la membrana celular los empuja hacia afuera después de unos 10 minutos de grabación. Para ampliar esta ventana con su próximo diseño, el equipo podría agregar un poco de pegamento bioquímico a la punta o raspar los bordes para que el cable se enganche contra la membrana.

Los dispositivos a nanoescala tienen otra ventaja sobre el patch clamp:pueden grabar más células en paralelo. Con las pinzas, los investigadores pueden recopilar solo unas pocas grabaciones de células a la vez. Para este estudio, Zhang registró hasta diez celdas a la vez. "Potencialmente, que puede ser mucho mayor, ", dice. Cuantas más células puedan registrar a la vez, cuanto más pueden ver cómo las redes de células interactúan entre sí como lo hacen en los seres vivos.

En el proceso de escalar su diseño de nanocables, el equipo también confirmó una teoría de larga data, llamada hipótesis de la curvatura. Después de que Lieber inventó los primeros nanocables, los investigadores especularon que el ancho de la punta de un nanocable (la parte inferior de la "V" o "U") puede afectar la respuesta de una célula al cable. Para este estudio, el equipo experimentó con múltiples curvas en "U" y tamaños de transistores. Los resultados confirmaron la hipótesis original:células como una punta estrecha y un pequeño transistor.

"La belleza de la ciencia para muchos, nosotros incluidos, tiene tales desafíos para impulsar hipótesis y trabajo futuro, "Dice Lieber. Con el desafío de la escalabilidad detrás de ellos, el equipo espera capturar grabaciones aún más precisas, quizás dentro de las estructuras subcelulares, y registrar células en criaturas vivientes.

Pero para Lieber, Un desafío cerebro-máquina es más atractivo que todos los demás:"hacer realidad los cyborgs".