Un pequeño implante envía mensajes secretos al cerebro mediante luz

En un avance significativo para la neurobiología y la bioelectrónica, científicos de la Universidad Northwestern crearon un dispositivo inalámbrico que utiliza luz para transmitir información directamente al cerebro. Esta tecnología eludió las rutas sensoriales tradicionales en el cuerpo y envió señales directamente a las neuronas.

El dispositivo es suave y flexible, adaptándose bajo el cuero cabelludo mientras descansa sobre el cráneo. Desde esta posición, envió patrones de luz controlados a través del hueso para activar grupos específicos de neuronas en la corteza cerebral.

Señales cerebrales basadas en luz en modelos animales

Durante las pruebas, los investigadores utilizaron ráfagas de luz pequeñas y temporizadas para estimular poblaciones específicas de neuronas en los cerebros de ratones modificados genéticamente para responder a la luz. Los ratones aprendieron rápidamente a interpretar ciertos patrones como señales significativas. Sin necesidad de sonido, vista o tacto, los animales utilizaron la información recibida para tomar decisiones y completar tareas de comportamiento con precisión.

Esta tecnología podría algún día apoyar una amplia gama de aplicaciones médicas. Los usos potenciales incluyen proporcionar retroalimentación sensorial para extremidades protésicas, entregar entradas artificiales para futuros dispositivos auditivos o visuales, controlar extremidades robóticas, mejorar la rehabilitación tras lesiones o accidentes cerebrovasculares, y modificar la percepción del dolor sin medicamentos.

El trabajo se publicará el lunes (8 de diciembre) en Nature Neuroscience.

Creando nuevas señales cerebrales con tecnología micro-LED

"Nuestros cerebros convierten constantemente la actividad eléctrica en experiencias, y esta tecnología nos brinda una forma de acceder a ese proceso directamente", afirmó Yevgenia Kozorovitskiy, neurobióloga de Northwestern y líder de la parte experimental del estudio. "Esta plataforma nos permite crear señales completamente nuevas y observar cómo el cerebro aprende a utilizarlas. Nos acerca un poco más a restaurar sentidos perdidos tras lesiones o enfermedades, al tiempo que ofrece una ventana a los principios básicos que nos permiten percibir el mundo".

Desarrollando un diseño menos invasivo

A pesar de la capacidad añadida, el dispositivo sigue siendo pequeño, del tamaño de un sello postal y más delgado que una tarjeta de crédito. En lugar de insertar una sonda en el cerebro, la nueva versión se adapta suavemente a la superficie del cráneo y emite luz a través del hueso.

"La luz roja penetra bien en los tejidos", explicó Kozorovitskiy. "Llega lo suficientemente profundo como para activar neuronas a través del cráneo".

Entrenando al cerebro para reconocer patrones sintéticos

Para evaluar el sistema, el equipo trabajó con ratones diseñados para tener neuronas sensibles a la luz en la corteza. Los animales fueron entrenados para asociar un patrón particular de estimulación con una recompensa, generalmente ubicada en un puerto específico dentro de una cámara de pruebas.

Durante una serie de experimentos, el implante entregó un patrón definido a través de cuatro regiones corticales, funcionando como si se estuviera transmitiendo un mensaje codificado directamente al cerebro. Los ratones aprendieron a identificar este patrón objetivo entre muchas alternativas. Cuando detectaron la señal artificial correcta, navegaron hacia el puerto apropiado para recibir su recompensa.

"Al seleccionar consistentemente el puerto correcto, el animal demostró que recibió el mensaje", comentó Mingzheng Wu, investigador postdoctoral y primer autor del estudio. "No pueden usar el lenguaje para decirnos lo que sienten, así que se comunican a través de su comportamiento".

Desarrollo futuro y aplicaciones más amplias

Ahora que el equipo ha demostrado que el cerebro puede interpretar la estimulación de luz en patrones como información significativa, planean probar patrones más sofisticados y determinar cuántas señales distintas puede aprender el cerebro de manera confiable. Las versiones futuras del dispositivo podrían incorporar más micro-LEDs, un espacio más pequeño entre ellos, arreglos más grandes que cubran más corteza y longitudes de onda de luz que penetren más profundamente en los tejidos.

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