Nuestros sistemas sensoriales son altamente adaptables. Una persona que no puede ver después de apagar una luz durante la noche, poco a poco logra un poder superior para ver incluso objetos pequeños. Las mujeres suelen desarrollar un mayor sentido del olfato durante el embarazo. ¿Cómo puede el mismo sistema sensorial que tenía un rendimiento deficiente superar también las expectativas basadas en su rendimiento anterior?
Dado que la naturaleza ha perfeccionado sus sistemas sensoriales a lo largo de escalas de tiempo evolutivas, un equipo interdisciplinario de investigadores de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis aprovechó estas capacidades para adaptar el sistema según demanda para que funcione a su máximo rendimiento. Sus herramientas para lograr este objetivo:langostas y nanomateriales demasiado pequeños para verlos.
Srikanth Singamaneni y Barani Raman, ambos profesores de la Escuela de Ingeniería McKelvey, lideraron un equipo que aprovechó el poder de nanoestructuras especialmente diseñadas que pueden absorber luz y generar calor, conocido como efecto fototérmico, y actuar como contenedores para almacenar y liberar sustancias químicas en demanda. Utilizaron estos materiales nanoestructurados para estimular la respuesta neuronal en el cerebro de la langosta a olores específicos y mejorar su identificación. Los resultados de la investigación se publicaron en Nature Nanotechnology. 25 de enero de 2024.
Singamaneni, profesor Lilyan &E. Lisle Hughes en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales, y Raman, profesor de ingeniería biomédica, han colaborado durante años con Shantanu Chakrabartty, profesor Clifford W. Murphy en el Departamento de Preston M. Green de Ingeniería eléctrica y de sistemas, para aprovechar las capacidades de detección superiores del sistema olfativo de las langostas. Recientemente demostraron la viabilidad de utilizar una nariz electrónica biohíbrida para detectar vapores explosivos.
"Dejamos que la biología haga el trabajo más difícil de convertir la información sobre sustancias químicas vaporosas en una señal neuronal eléctrica", dijo Raman. "Estas señales se detectan en las antenas de los insectos y se transmiten al cerebro. Podemos colocar electrodos en el cerebro, medir la respuesta neuronal de las langostas a los olores y utilizarlos como huellas dactilares para distinguir entre sustancias químicas".
La idea, aunque sólida, tiene un obstáculo potencial.
"Estamos limitados por la cantidad de electrodos y dónde podemos colocarlos", dijo Singamaneni. "Dado que solo obtendremos una señal parcial, queremos amplificarla. Aquí es donde recurrimos al calor y la neuromodulación para mejorar la señal que recibimos".
En la nueva investigación, el equipo utilizó dos estrategias para aumentar la capacidad de las langostas para detectar olores. Primero, el equipo creó una nanopartícula de polidopamina biocompatible y biodegradable que convierte la luz en calor mediante un proceso llamado efecto fototérmico.
"El calor afecta la difusión", dijo Raman. "Imagínese agregar leche fría al café caliente. La idea es utilizar el calor generado por nanoestructuras para calentar localmente, por ejemplo, un nanocalentador, y mejorar la actividad neuronal".
En segundo lugar, estos materiales nanoestructurados pueden fabricarse para cargar productos químicos para su almacenamiento. Sin embargo, es necesario encapsularlos con un material de cobertura. El equipo utilizó un material de cambio de fase llamado tetradecanol que es sólido a temperatura ambiente y pasa a líquido al calentarse. Cuando se calientan, los mismos nanocalentadores exudarán las sustancias químicas almacenadas en su interior además de generar calor.
Singamaneni y el equipo almacenaron octopamina, un neuromodulador implicado en diversas funciones, y la liberaron según demanda. Normalmente, estos neuromoduladores se liberan en función de las necesidades del organismo. Sin embargo, utilizando calentadores nanoestructurados, se lanzaron según demanda para mejorar las señales neuronales.
"Nuestro estudio presenta una estrategia genérica para mejorar de forma reversible las señales neuronales en el sitio del cerebro donde colocamos los electrodos", dijo Raman.
"La estrategia de neuromodulación nano-habilitada que desarrollamos abre nuevas oportunidades para realizar enfoques de detección química cyborg personalizados", dijo Prashant Gupta, estudiante graduado en el laboratorio de Singamaneni y primer autor del artículo. "Este enfoque cambiaría un enfoque pasivo existente en el que la información simplemente se lee por uno activo en el que se utilizan plenamente las capacidades de los circuitos neuronales como base para el procesamiento de la información".
Más información: Prashant Gupta et al, Aumento del rendimiento olfativo de los insectos mediante nanoneuromodulación, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-023-01592-z
Información de la revista: Nanotecnología de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Washington en St. Louis
