Una navaja suiza para la neurociencia

Izquierda: las cerraduras de polímeros son el punto de partida para hacer una sonda neural multifuncional. En un taller de máquinas, se agregarán patrones de varillas de metal conductor, plásticos transparentes o espacios huecos, creando una preforma.

Derecha: La preforma se carga en esta torre de trefilado de fibra de 12 pies de altura.

En los últimos años se han desarrollado varias herramientas nuevas y poderosas para explorar y manipular el cerebro. Algunos usan electrónica, mientras que otros usan luz o productos químicos.

En un laboratorio del MIT, la científica de materiales Polina Anikeeva ha encontrado una forma de fabricar lo que equivale a una navaja suiza para la ciencia del cerebro. Las sondas neuronales que construye transportan luz mientras recolectan y transmiten electricidad, y también tienen pequeños canales a través de los cuales bombean drogas.

Esta historia fue parte de nuestra edición de mayo de 2015

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Eso es un avance sobre los cables de metal o los electrodos de silicio que se usan convencionalmente para estudiar las neuronas. Anikeeva fabrica las sondas ensamblando polímeros y metales en bloques a gran escala, o preformas, y luego estirándolos en fibras flexibles y ultrafinas.

polina anikeeva

Las fibras multifuncionales ofrecen nuevas formas de estudiar el comportamiento animal, ya que pueden registrar las neuronas y estimularlas. También podrían resultar nuevos tipos de tecnología médica. Imagine, como lo hace Anikeeva, un cableado biónico que une una lesión en la médula espinal, recolecta señales eléctricas del cerebro y las transmite a los músculos de una mano paralizada.

Anikeeva hizo su primera sonda multifuncional mientras estudiaba en Stanford. Fue crudo: simplemente envolvió alambres de metal alrededor de un filamento de vidrio. Pero esto hizo posible combinar mediciones de electrodos estándar con una nueva tecnología, la optogenética, en la que se dispara luz a las neuronas para activarlas o apagarlas.

Ahora Anikeeva, profesora de ciencia e ingeniería de materiales, fabrica sondas utilizando una tecnología de dibujo de fibra desarrollada por otro investigador del MIT, Yoel Fink. Se basa en la forma en que se calienta y tira la sílice para formar fibra de telecomunicaciones. Pero funciona a temperaturas más bajas, a las que muchos polímeros útiles se vuelven lo suficientemente blandos como para estirarse.

Las fibras de polímero tienen un par de ventajas importantes. Una es que son flexibles e imitan las propiedades físicas del tejido. Eso podría permitirles trabajar más tiempo que los rígidos electrodos de metal en los que se basan los neurocientíficos, lo que permitiría estudios a largo plazo en animales. La segunda característica de las fibras es que pueden combinar muchas funciones. Las sondas fabricadas hasta ahora han incorporado hasta 36 microhilos, guías de ondas ópticas y canales huecos para transportar medicamentos. No hay razón para no incorporar sensores para medir la temperatura o la presión también. Dentro del cuerpo, los materiales y estructuras correctos pueden incluso atraer a los nervios para que se adhieran a las fibras, de la misma manera que el hueso se fusiona en un implante de cadera.

El proceso de dibujo de fibra reduce los patrones grandes a microscópicos, preservando los detalles. Pero hay desafíos. Los diminutos cables y tubos se tienen que pelar, separar y soldar a mano para conectarlos a componentes como un dispositivo de grabación que un ratón lleva en la cabeza. Eso es toda una pesadilla, dice Andrés Canales, un estudiante de posgrado, que espera resolver el problema.

¿Serán los biocables de polímero lo que en última instancia cure la parálisis, por ejemplo, al transportar señales nerviosas a través de una médula espinal lesionada? Creo que será una versión de esta tecnología, una versión más sofisticada, dice Anikeeva. Al menos vamos a seguir esta ruta.

3. Una colección de restos de preformas después del dibujo. Las varillas de indio-estaño son visibles en lo que queda de la preforma en el centro.

4. La fibra se extrae del horno después de calentarla a 350 °C. Un micrómetro (luz roja) controla el tamaño de la fibra.

5. Cada preforma se estira en hasta un kilómetro de fibra. Ahora tiene aproximadamente 1/100 de su grosor original.

6. Una fibra se sumerge en THF, un solvente, para quitar el revestimiento protector.

7. Una sección transversal de una fibra de 0,35 milímetros de ancho que contiene cuatro electrodos, un canal de fluido y una guía de ondas en forma de anillo. A la derecha, la luz brilla a través de la guía de ondas.

8. Este ratón tiene una fibra implantada en su cerebro. En su cabeza se ven una placa de circuito, un puerto para introducir luz y dos más para inyectarse drogas.

9. La estimulación óptica del cerebro del ratón produce la actividad eléctrica registrada aquí.

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