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Una mejor manera de sondear el cerebro
Polina Anikeeva, PhD '09, está desarrollando materiales que ofrecen conexiones de bajo impacto o incluso inalámbricas al sistema nervioso, lo que permite a los investigadores estimular y recopilar datos de células cerebrales individuales. 21 de abril de 2015
El cerebro a menudo se describe como la estructura más compleja conocida: una multitud de células, unidas en redes y zumbando con actividad eléctrica y química. Como científica de materiales, Polina Anikeeva, PhD '09, también sabe que el cerebro es mucho más blando y flexible que los dispositivos que usamos para estudiarlo. En realidad, tiene las propiedades elásticas del pudín de chocolate, dice Anikeeva, profesora asistente de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT. Puedes cucharearlo si quieres.
Sin embargo, cuando los científicos intentan explorar el cerebro, por lo general se basan en materiales rígidos y afilados, como sondas de silicona y electrodos de acero. Eso tiene tanto sentido, dice, como cortar pudín con un cuchillo.
Con los implantes neurales para humanos, como los dispositivos para la estimulación cerebral profunda, el desajuste puede tener graves consecuencias. Los electrodos rígidos pueden cortar el tejido si el cerebro se mueve. Las células del sistema inmunitario y el tejido cercano pululan y rodean cualquier implante con tejido cicatricial. Problemas similares se aplican a las interfaces neurales de la médula espinal.
Anikeeva, quien dirige el Laboratorio de Bioelectrónica del MIT, está desarrollando mejores formas de interactuar con el cerebro y la médula espinal. Aunque su laboratorio tiene menos de cuatro años, importantes revistas han publicado una serie de artículos de su grupo que demuestran nuevas tecnologías, incluidas sondas delgadas y flexibles de fibra de polímero para estimular y registrar la actividad de las neuronas, así como nanopartículas magnéticas que podrían usarse para estimularlos sin cables en absoluto. El objetivo es sondear el cerebro con un toque más suave, y hacerlo con precisión, integrando varias funciones en un solo dispositivo.
El trabajo de Anikeeva ya está permitiendo que otros científicos realicen nuevos tipos de estudios sobre el cerebro y la médula espinal. En última instancia, los materiales que crea podrían ofrecer una forma menos invasiva de conectar dispositivos al cuerpo humano para tratar enfermedades neurológicas o restaurar el movimiento.
empollón de la ciencia
Yo era esencialmente un nerd de la ciencia desde los primeros días, dice Anikeeva. Creció en San Petersburgo, Rusia, hija de padres que se formaron como ingenieros mecánicos. (Su madre ayudó a diseñar submarinos nucleares antes del colapso de la Unión Soviética). A los 12 años, fue admitida en la prestigiosa Escuela Secundaria Físico-Técnica, afiliada al Instituto Físico-Técnico Ioffe de la Academia Rusa de Ciencias. La escuela tiene solo 180 estudiantes y ofrece clases seis días a la semana; su propósito es preparar a los futuros investigadores. Es más difícil ingresar que ingresar al MIT, dice ella.
Anikeeva estudió biofísica en la Universidad Politécnica Estatal de San Petersburgo; en un programa de intercambio en el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich, aprendió a analizar la estructura de las proteínas usando espectroscopía de resonancia magnética nuclear. Después de graduarse, completó una pasantía de un año en el Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México, diseñando células solares a partir de nanocristales semiconductores conocidos como puntos cuánticos.
Cuando visitó las escuelas de posgrado, el MIT se destacó tanto por sus estudiantes como por su cuerpo docente. Sentí que en el MIT estaría rodeada de gente verdaderamente talentosa que es fanática de su trabajo, dice. Comenzó su investigación doctoral en 2004 en el laboratorio de Vladimir Bulović, entonces profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática, que estaba desarrollando nuevos dispositivos electrónicos y ópticos utilizando nanotecnología. Allí fue pionera en una técnica para crear LED mediante el uso de puntos cuánticos para generar luz de diferentes colores.
A Anikeeva le gustaba trabajar con nanomateriales, pero también le apasionaba la biología. Tenemos tecnologías tan sofisticadas en nuestros teléfonos celulares: tenemos estas hermosas pantallas, módulos informáticos de última generación, transistores, circuitos, etc., dice ella. Quería aprovechar algunos de esos avances para mejorar la tecnología para el cuerpo. Pero antes de ir con arrogancia y tratar de resolver problemas que no sabía que existían, dice, decidí que necesitaba pasar un tiempo en un entorno biológico.
Anikeeva examina un lote de fibras, cada una de las cuales contiene un solo electrodo. Se colocarán alrededor de tubos huecos y se estirarán para formar sondas neurales de 100 micrómetros de ancho que pueden administrar medicamentos y registrar información.
Esa decisión la llevó al laboratorio de neurociencia de Karl Deisseroth en la Universidad de Stanford. Su grupo estaba en medio de un trabajo pionero en optogenética, que utiliza la luz para estimular células en cerebros de animales que han sido diseñados para incluir proteínas activadas por luz. Cuando vi que estaban desarrollando métodos para controlar el cerebro ópticamente, me quedé realmente impresionada, dice ella. También sugirió una nueva forma de aplicar sus habilidades. El cerebro significa potenciales de acción y voltajes. Supuse que, como especialista en optoelectrónica, puedo estar detrás del voltaje, dice ella. Es algo que tengo alguna posibilidad de entender.
El grupo de Deisseroth necesitaba hardware para enviar luz a áreas específicas del cerebro de los ratones y al mismo tiempo tomar registros eléctricos de las células iluminadas. Durante un posdoctorado de dos años que comenzó en 2009, Anikeeva desarrolló una sonda que era más sofisticada que la que estaban usando; su versión incluía múltiples electrodos a lo largo de la fibra óptica. Ese fue un paso clave para obtener lecturas enriquecidas de la interfaz de fibra óptica, dice Deisseroth.
La experiencia le enseñó a Anikeeva cómo hacer experimentos y trabajar con animales, y le dio problemas para resolver. Haber recibido esta formación neurobiológica más básica me hizo pensar en las herramientas que estábamos usando, dice. Esas tecnologías son realmente bastante primitivas. Eran demasiado grandes y voluminosos y no tenían suficiente capacidad. Los biólogos con los que trabajó Anikeeva estaban manipulando cables individuales bajo microscopios, muy lejos de las sofisticadas técnicas de fabricación utilizadas en la industria electrónica.
Sentí que deberíamos poder hacerlo mejor, dice ella. Y cuando le ofrecieron un puesto de profesora en el MIT, esa premisa se convirtió en la base de su propio laboratorio. En su trabajo actual, Anikeeva está aportando su experiencia en ciencia de materiales para influir en la neurociencia. Tiene un talento increíble sin importar lo que ponga en sus manos, dice Bulović, ahora profesora de tecnología emergente, decana asociada de innovación de la Escuela de Ingeniería y codirectora de la Iniciativa de Innovación del MIT. Tomó todas estas experiencias que adquirió… y reconoció que podía juntarlas en un todo coherente.
Un mejor martillo
En un laboratorio en el sótano del MIT, Andrés Canales, SM '13, estudiante de doctorado en el grupo de Anikeeva, está observando cómo tiene lugar una transformación física: un cilindro de polímeros y metal se derrite lentamente y se convierte en un alambre largo, similar a fideos, de una torre alta en una esquina de la habitación. Una de las razones por las que Anikeeva estaba ansiosa por regresar al MIT era para trabajar con Yoel Fink, director del Laboratorio de Investigación de Electrónica e innovador líder en esta técnica de trefilado de fibras, en la que los materiales se ensamblan, calientan y estiran como caramelo en ultrafinos. fibras que conservan la estructura y funcionalidad originales. Fink ha compartido con su laboratorio tanto su experiencia como la torre de hilado de fibra, que ofrece un control preciso y la capacidad de reducir las características a un nivel microscópico (ver demostración).
Gracias a esta colaboración, su equipo ha incorporado guías de ondas ópticas, electrodos y canales de administración de fármacos en una sola fibra que puede ser tan delgada como un cabello humano y lo suficientemente flexible como para enrollarse alrededor de un dedo. Y, lo que es más importante, estos dispositivos no son rechazados por el cuerpo.
Ese tipo de capacidad podría ayudar a los neurocientíficos que intentan desenredar funciones cerebrales complejas en ratones. Guoping Feng, profesor de ciencias cognitivas y del cerebro en el Instituto McGovern del MIT, está utilizando las sondas de Anikeeva para estudiar enfermedades psiquiátricas como el autismo y el trastorno obsesivo-compulsivo. Su trabajo consiste en observar la comunicación entre las neuronas del cerebro y la relación entre los genes, los circuitos cerebrales y el comportamiento. Para observar estos procesos en animales vivos, los investigadores deben poder manipular circuitos específicos con precisión y registrar la actividad de las células manipuladas. Con un dispositivo delgado y multifuncional, dice, puede tener toda la capacidad con una mínima perturbación o daño a los tejidos cerebrales.
Los dispositivos también se pueden usar en la médula espinal, cuyo acceso es difícil y requiere un dispositivo flexible porque a menudo se mueve y se estira. Aunque la estimulación eléctrica de la médula espinal puede provocar movimiento en animales paralizados y se ha utilizado clínicamente en humanos con resultados modestos, Chet Moritz, profesor de medicina de rehabilitación en la Universidad de Washington en Seattle, dice que la estimulación óptica podría permitir un control más preciso de células específicas. La estimulación eléctrica es un martillo bastante grande, dice. Con la optogenética, puede tener una confianza bastante alta de que está activando un circuito específico.
Moritz trabaja en la estimulación de la médula espinal superior, en última instancia, para restaurar los movimientos como alcanzar y agarrar, que requieren más delicadeza que caminar. Para hacer eso, necesita apuntar directamente a neuronas específicas. Trabajando con Anikeeva, está probando la viabilidad de usar luz para estimular la médula espinal de ratas con miras a reanimar extremidades paralizadas.
Estimulación cerebral inalámbrica
Mientras tanto, Anikeeva busca tecnologías que puedan estimular áreas específicas del cerebro sin cables. En un artículo reciente en , su grupo demostró una técnica que usa campos magnéticos y nanopartículas inyectadas para activar células en lo profundo del cerebro de ratones.
En este proceso, las nanopartículas magnéticas se calientan con la ayuda de campos magnéticos alternos, que atraviesan fácilmente el tejido cerebral sin afectarlo. Durante décadas, los investigadores han estado trabajando en técnicas para inyectar nanopartículas magnéticas en tumores y calentarlas con imanes para matar las células cancerosas. Pero en lugar de destruir las células, Anikeeva quería crear una explosión rápida de calor que hiciera que las neuronas se dispararan.
Otros científicos han utilizado un enfoque similar para estimular las células diseñadas para expresar la proteína TRPV1 sensible al calor. Pero Anikeeva dice que las células en estos estudios respondieron con demasiada lentitud para el tipo de estimulación inmediata que ella quiere lograr.
Su equipo, dirigido por los estudiantes graduados Ritchie Chen, SM '13 y Michael Christiansen, comenzó a modelar cómo las nanopartículas magnéticas disipan el calor. Las partículas se alinean en un campo magnético y se realinean cuando cambia su dirección, liberando calor en el proceso. Los modelos mostraron que este efecto era más potente si el tamaño y la forma de las partículas coincidían con las propiedades del campo magnético. Al adaptar el diseño tanto de las bobinas magnéticas como de las nanopartículas, los investigadores pudieron producir más calor más rápido.
Las partículas están hechas de óxido de hierro (comúnmente utilizado como agente de contraste en las resonancias magnéticas) y recubiertas de polímeros para evitar que el sistema inmunitario del cuerpo las elimine. El equipo de Anikeeva utilizó un virus para introducir el gen de TRPV1 en las células de una parte específica del cerebro de los ratones. Luego inyectaron en la misma región las nanopartículas. Bajo el campo magnético, las partículas se calentaron, provocando que las neuronas modificadas se dispararan.
Anikeeva ahora está investigando si la variación de los campos magnéticos y la composición de las partículas puede hacer posible apuntar a múltiples tipos de células o circuitos cerebrales. Y aunque este estudio usó ingeniería genética para obtener una proteína sensible al calor en células de ratón, ella dice que TRPV1 prevalece en el cerebro humano, por lo que tal retoque puede no ser necesario para usar la técnica en humanos.
Esta demostración, aunque preliminar, apunta hacia una forma mucho menos invasiva de estimular las células en lo profundo del cerebro. Actualmente, los pacientes que reciben estimulación cerebral profunda por afecciones como la enfermedad de Parkinson necesitan cirugía para implantar electrodos conectados a una batería externa. Estos ratones recibieron una inyección simple y las nanopartículas magnéticas permanecieron activas un mes después. Un día, imagina, los pacientes podrían recibir un fármaco magnético y pasar una cantidad de tiempo prescrita cada día cerca de un dispositivo magnético.
El grupo de Anikeeva está refinando estas tecnologías y buscando colaboradores que las pongan a prueba. Ella imagina el uso de sondas de polímero blando para mapear con precisión el cerebro, o para administrar un fármaco o estimulación óptica y luego monitorear su efecto en la actividad celular.
También está muy interesada en utilizar las tecnologías como interfaces neuronales para tratar lesiones paralizantes. Cuando un amigo sufrió una lesión grave en la médula espinal mientras escalaba rocas, Anikeeva quedó impresionada por el estado primitivo de la tecnología para la rehabilitación y la restauración del movimiento. Influyó en mi programa de investigación de maneras muy profundas, dice ella.
Anikeeva, escaladora entusiasta y corredora de fondo, está especialmente interesada en el movimiento porque lo encuentra esencial para su propio pensamiento. Escalar es una parte importante y definitoria de mi vida, dice, y a menudo soluciona problemas mientras corre durante dos o tres horas seguidas. Nunca hago ejercicio con música, dice ella. Esencialmente soy yo contra mi cerebro.