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Un implante cerebral que usa luz
Los investigadores de Medtronic están desarrollando un prototipo de implante neuronal que utiliza luz para alterar el comportamiento de las neuronas en el cerebro. El dispositivo se basa en la ciencia emergente de la neuromodulación optogenética, en la que se diseñan genéticamente células cerebrales específicas para responder a la luz. Medtronic, el mayor fabricante mundial de tecnologías biomédicas, tiene como objetivo utilizar el dispositivo para comprender mejor cómo las terapias eléctricas, que se utilizan actualmente para tratar el Parkinson y otros trastornos, alivian los síntomas de estas enfermedades. Los científicos de Medtronic dicen que usarán los hallazgos para mejorar los estimuladores eléctricos que la compañía ya vende, pero otros finalmente esperan usar terapias ópticas directamente como tratamientos.
Terapia de luz: Una neurona (verde) diseñada para expresar una proteína sensible a la luz se enciende en respuesta a longitudes de onda de luz específicas. Un electrodo de vidrio (esquina inferior izquierda) registra la respuesta eléctrica de la neurona. Los investigadores de Medtronic utilizaron este sistema para confirmar que un nuevo estimulador implantable puede activar correctamente las neuronas con luz.
Los implantes neurales de hoy funcionan administrando dosis medidas de estimulación eléctrica a través de un electrodo delgado que se inserta quirúrgicamente a través de un pequeño orificio en el cráneo del paciente, con su punta implantada en un área localizada del cerebro. Desde que la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. Aprobó estos dispositivos de marcapasos cerebrales y el tratamiento de base eléctrica que administran, llamado estimulación cerebral profunda (DBS), para un trastorno llamado temblor esencial en 1997, para la enfermedad de Parkinson en 2002 y para la distonía en 2003, más de 75.000 personas las han instalado. Se cree que los pulsos eléctricos contrarrestan la actividad neuronal anormal que resulta de diferentes enfermedades, aunque los médicos saben poco sobre cómo funciona la DBS.
A pesar de su éxito, estas prótesis neurales tienen serios inconvenientes. Más allá del hecho contundente de su ubicación física, estimulan indiscriminadamente las neuronas cercanas al electrodo. Esa hiperactividad puede provocar mareos, hormigueo y otros efectos secundarios. Además, producen ruido eléctrico que dificulta el seguimiento de señales neuronales más silenciosas y hace prácticamente imposible el uso simultáneo de sistemas de escaneo como la resonancia magnética, lo que a su vez evita que los investigadores obtengan evidencia sobre cómo funciona realmente la DBS.
En los últimos años, los científicos han desarrollado una forma de estimular las neuronas utilizando luz en lugar de electricidad. Los investigadores primero introducen un gen para una molécula sensible a la luz, llamada canalrodopsina 2 (ChR2), en un subconjunto específico de neuronas. Hacer brillar una luz azul sobre estas neuronas hace que se activen. Una ventaja de este enfoque es su especificidad: solo se activan las neuronas con el gen. También proporciona una forma de desconectar las neuronas: la introducción de una molécula diferente, la halodopsina (NpHR), silencia las células en respuesta a la luz amarilla. Esa es la otra característica única de este enfoque, dice Tim Denison, gerente senior de ingeniería de CI en la división de neuromodulación de Medtronic. Nos permite silenciar la actividad de las neuronas, lo que es extraordinariamente difícil con la electroestimulación.
Mientras que los científicos académicos están desarrollando nuevas herramientas para llevar luz al cerebro, Medtronic está desarrollando un implante de base optogenética para uso comercial. El módulo, que tiene aproximadamente el tamaño y la forma de una pequeña unidad flash USB, tiene enlaces de datos inalámbricos, una unidad de administración de energía, un microcontrolador y un estimulador óptico. Utiliza un cable de fibra óptica para dirigir la luz de un LED azul o verde a las neuronas objetivo del cerebro. La compañía planea comercializar el dispositivo entre investigadores de neurociencia y utilizarlo para investigaciones internas sobre los efectos de la estimulación cerebral profunda.
Los científicos de Medtronic enfatizan la naturaleza muy temprana del dispositivo. Esta es una investigación para su uso con modelos animales y no está lista para ningún tipo de traducción humana actualmente, enfatiza Denison. Aún así, continúa: Lo que es emocionante es que las terapias de hoy siguen basándose en estas ideas basadas en la electricidad del siglo XIX. Ahora, esta tecnología novedosa y disruptiva ofrece una interfaz única para el sistema nervioso.
Hoy en día, más de 500 laboratorios están aplicando herramientas optogenéticas a modelos animales de Parkinson, ceguera, lesión espinal, depresión, narcolepsia, adicción y memoria. Medtronic, que ha construido su negocio siendo pionera en la implementación de la investigación médica en el mercado, ha consultado extensamente con pioneros optogenéticos Karl Deisseroth de Stanford y Ed Boyden del MIT para construir un implante para respaldar esta nueva ciencia. (Boyden es columnista ocasional de Revisión de tecnología .)
Para transformar el implante de investigación en un dispositivo clínico, Medtronic u otros deberán encontrar formas de entregar de manera segura los genes necesarios a circuitos neuronales específicos en el cerebro. Denison dice que cree que el desarrollo de terapias prácticas basadas en optogenética para pacientes humanos será gradual. Francamente, esta es una tecnología en la que puedo ver a mi hijo trabajando como empleado de Medtronic, dice.
Boyden del MIT, sin embargo, prevé un desarrollo más acelerado: creo que es más en el lapso de tres a diez años, dice. Boyden cofundó una empresa, Eos, para desarrollar terapias genéticas para curar la ceguera. (Debido a que se dirige al ojo, esta terapia no requeriría un implante). Jerry Silver de la Universidad Case-Western tiene una startup, LucCell, que tiene como objetivo este tipo de terapias para restaurar la función dañada de la médula espinal. La terapia genética es un campo en proceso de maduración, dice Silver. Hay un tipo de virus llamado AAV –Virus adenoasociado– que es natural, que casi todos ya portamos, que no presenta síntomas y que ya se ha utilizado en muchos cientos de pacientes sin un solo evento adverso grave.
En general, Boyden concluye: En muchos trastornos neurales o psiquiátricos, una fracción muy pequeña de las células cerebrales tiene alteraciones muy grandes; la de Parkinson es la muerte de quizás unos pocos miles de células. Si con la optogenética puede corregir esos objetivos posteriores sin alterar todas las 'neuronas normales', entre comillas, podría resolver nuestro problema actual, que es que todos los medicamentos para tratar trastornos cerebrales tienen efectos secundarios muy graves y los implantes neurales son instrumentos extremadamente contundentes. . Así que esa es la esperanza.