Los científicos usan campos magnéticos para estimular el cerebro de forma remota y controlar los movimientos del cuerpo

Los científicos han utilizado nanopartículas magnéticas para estimular las neuronas en lo profundo del cerebro para evocar los movimientos corporales de los ratones. Esta imagen muestra una sección del cerebro de un ratón con nanopartículas magnéticas inyectadas (de color rojo) que cubren células específicas en el cuerpo estriado. Crédito: Munshi et al, eLife

 

La técnica mínimamente invasiva podría conducir a avances en el mapeo del cerebro y el tratamiento de enfermedades neurológicas.

Por Charlotte Hsu

BUFFALO, NY — Los científicos han utilizado el magnetismo para activar pequeños grupos de células en el cerebro, induciendo movimientos corporales que incluyen correr, rotar y perder el control de las extremidades, un logro que podría conducir a avances en el estudio y tratamiento de enfermedades neurológicas.

La técnica que desarrollaron los investigadores se llama estimulación magnetotérmica. Brinda a los neurocientíficos una nueva y poderosa herramienta: una forma remota y mínimamente invasiva de desencadenar actividad en las profundidades del cerebro, activando y desactivando células específicas para estudiar cómo estos cambios afectan la fisiología.

“Se está trabajando mucho ahora para mapear los circuitos neuronales que controlan el comportamiento y las emociones”, dice el investigador principal Arnd Pralle, PhD, profesor de física en la Universidad de Buffalo College of Arts and Sciences. “¿Cómo funciona la computadora de nuestra mente? La técnica que hemos desarrollado podría ser de gran ayuda en este esfuerzo”.

Comprender cómo funciona el cerebro, cómo las diferentes partes del órgano se comunican entre sí y controlan el comportamiento, es clave para desarrollar terapias para enfermedades que involucran lesiones o mal funcionamiento de conjuntos específicos de neuronas. Las lesiones cerebrales traumáticas, la enfermedad de Parkinson, la distonía y la parálisis periférica entran en esta categoría.

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Los avances informados por el equipo de Pralle también podrían ayudar a los científicos que buscan tratar dolencias como la depresión y la epilepsia directamente a través de la estimulación cerebral.

El estudio, que se realizó en ratones, se  publicó el 15 de agosto en eLife , una revista revisada por pares de código abierto. El equipo de Pralle incluyó a los primeros autores Rahul Munshi, candidato a doctorado en física de la UB, y Shahnaz Qadri, PhD, investigadora postdoctoral de la UB, junto con investigadores de la UB, la Universidad Philipps de Marburg en Alemania y la Universidad de Santiago de Compostela en España.

La estimulación magnetotérmica implica el uso de nanopartículas magnéticas para estimular las neuronas equipadas con canales iónicos sensibles a la temperatura. Las células cerebrales se activan cuando las nanopartículas se calientan por un campo magnético externo, lo que hace que se abran los canales.

En ratones, el equipo de Pralle logró activar tres regiones distintas del cerebro para inducir funciones motoras específicas.

Las células estimulantes en la corteza motora hicieron que los animales corrieran, mientras que las células estimulantes en el cuerpo estriado hicieron que los animales se dieran la vuelta. Cuando los científicos activaron una región más profunda del cerebro, los ratones se congelaron, incapaces de mover sus extremidades.

“Usando nuestro método, podemos apuntar a un grupo muy pequeño de células, un área de aproximadamente 100 micrómetros de ancho, que es aproximadamente el ancho de un cabello humano”, dice Pralle.

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Cómo funciona la estimulación magnetotérmica

La estimulación magnetotérmica permite a los investigadores utilizar nanopartículas magnéticas calentadas para activar neuronas individuales dentro del cerebro.

Así es como funciona: primero, los científicos utilizan la ingeniería genética para introducir una cadena especial de ADN en las neuronas objetivo, lo que hace que estas células produzcan un canal de iones activado por calor. Luego, los investigadores inyectan nanopartículas magnéticas especialmente diseñadas en la misma área del cerebro. Estas nanopartículas se adhieren a la superficie de las neuronas seleccionadas y forman una capa delgada como la piel de una cebolla.

Cuando se aplica un campo magnético alterno al cerebro, hace que la magnetización de las nanopartículas cambie rápidamente, generando calor que calienta las células objetivo. Esto obliga a que se abran los canales de iones sensibles a la temperatura, lo que estimula a las neuronas a activarse.

Las partículas que los investigadores utilizaron en el nuevo estudio de eLife consistían en un núcleo de ferrita de cobalto rodeado por una capa de ferrita de manganeso.

Un avance sobre otros métodos, como la optogenética

Pralle ha estado trabajando para avanzar en la estimulación magnetotérmica durante aproximadamente una década. Anteriormente demostró la utilidad de la técnica para activar neuronas en una placa de Petri y luego para controlar el comportamiento de  C. elegans , un pequeño nematodo.

Pralle dice que la estimulación magnetotérmica tiene algunos beneficios sobre otros métodos de estimulación cerebral profunda.

Una de las técnicas más conocidas, la optogenética, utiliza luz en lugar de magnetismo y calor para activar las células. Pero la optogenética generalmente requiere la implantación de diminutos cables de fibra óptica en el cerebro, mientras que la estimulación magnetotérmica se realiza de forma remota, lo que es menos invasivo, dice Pralle. Agrega que incluso después de que los cerebros de los ratones fueron estimulados varias veces, las neuronas específicas no mostraron signos de daño.

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El próximo paso en la investigación es utilizar la estimulación magnetotérmica para activar y silenciar múltiples regiones del cerebro al mismo tiempo en ratones. Pralle está trabajando en

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