agosto 17, 2022

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Activación inalámbrica de circuitos cerebrales objetivo en menos de un segundo

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Resumen: Un sistema recientemente desarrollado utiliza tecnología inalámbrica para activar de forma remota redes cerebrales específicas en moscas de la fruta en menos de un segundo.

fuente: Universidad de arroz

Un equipo de investigación dirigido por neuroingenieros de la Universidad de Rice ha ideado una tecnología inalámbrica para activar de forma remota circuitos cerebrales específicos en moscas de la fruta en menos de un segundo.

En una manifestación publicada en materiales de la naturalezaEn este estudio, investigadores de Rice, Duke University, Brown University y Baylor College of Medicine utilizaron señales magnéticas para activar neuronas objetivo que controlan la posición del cuerpo de las moscas de la fruta que se mueven libremente en un contenedor.

«Para estudiar el cerebro o tratar trastornos neurológicos, la comunidad científica está buscando herramientas que sean increíblemente precisas, pero también mínimamente invasivas», dijo el autor del estudio, Jacob Robinson, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en Rice y miembro de Rice. Iniciativa de neuroingeniería.

«El control remoto de circuitos neuronales específicos con campos magnéticos es una especie de santo grial de las neurotecnologías. Nuestro trabajo da un paso importante hacia este objetivo porque aumenta la velocidad del control remoto magnético, acercándolo a la velocidad normal del cerebro».

Robinson dijo que la nueva tecnología activa los circuitos neuronales unas 50 veces más rápido que la mejor técnica previamente probada para la estimulación magnética de neuronas determinadas genéticamente.

«Hicimos progresos porque el autor principal, Charles Sebesta, tuvo la idea de usar un nuevo canal de iones que sea sensible a la tasa de cambio de temperatura», dijo Robinson.

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«Al reunir a expertos en ingeniería genética, nanotecnología e ingeniería eléctrica, pudimos juntar todas las piezas y demostrar el éxito de esta idea. Realmente ha sido un esfuerzo de equipo de científicos de clase mundial que hemos tenido la suerte de trabajar con.»

Los investigadores utilizaron la ingeniería genética para expresar un canal iónico especial sensible al calor en las neuronas que hace que las moscas extiendan parcialmente sus alas, un gesto de apareamiento común.

Luego, los investigadores inyectaron nanopartículas magnéticas que podrían calentarse usando un campo magnético aplicado. La cámara superior observó a las moscas deambulando libremente alrededor de un contenedor sobre un electroimán. Cambiando el campo del imán de una manera específica, los investigadores pueden calentar las nanopartículas y activar las neuronas.

Investigadores de la Universidad de Rice, la Universidad de Duke, la Universidad de Brown y la Facultad de Medicina de Baylor han desarrollado una tecnología magnética para controlar de forma inalámbrica los circuitos neuronales en las moscas de la fruta. Utilizaron ingeniería genética para expresar canales iónicos sensibles a la temperatura en las neuronas que controlan el comportamiento y nanopartículas de hierro para activar los canales. Cuando los investigadores activaron un campo magnético en el recinto de las moscas, las nanopartículas convirtieron la energía magnética en calor, activando canales y activando neuronas. Una cámara superior tomó imágenes de las moscas durante los experimentos, y el análisis visual mostró moscas con modificaciones genéticas que asumieron una posición de alas extendidas aproximadamente medio segundo después de recibir la señal magnética. Crédito: C. Sebesta y J. Robinson/Universidad Rice

El análisis de video de los experimentos mostró que las moscas con las modificaciones genéticas adoptan un modo de extensión de alas dentro de aproximadamente medio segundo de cambiar el campo magnético.

Robinson dijo que la capacidad de activar células genéticamente seleccionadas en momentos específicos podría ser una herramienta poderosa para estudiar el cerebro, tratar enfermedades y desarrollar tecnología de comunicación directa entre el cerebro y la máquina.

Robinson es el investigador principal de MOANA, un ambicioso proyecto para desarrollar tecnología de auriculares para la comunicación inalámbrica y no invasiva entre el cerebro y el cerebro. Acrónimo de «Acceso magnético, óptico y acústico neuronal», MOANA está siendo financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) para desarrollar tecnología de auriculares que puede «leer» o decodificar la actividad neuronal en la corteza visual de una persona y «escribir, » o codificar su actividad en el cerebro de otra persona. La tecnología magnética es un ejemplo de esto último.

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El equipo de Robinson está trabajando hacia el objetivo de restaurar parcialmente la vista a los pacientes ciegos. Al estimular las partes del cerebro asociadas con la visión, los investigadores de MOANA esperan dar a los pacientes una sensación de visión incluso si sus ojos ya no funcionan.

Crédito: Universidad de Rice

«El objetivo a largo plazo de este trabajo es crear formas de activar áreas específicas del cerebro en humanos con fines terapéuticos sin necesidad de cirugía», dijo Robinson. «Para llegar a la resolución natural del cerebro, probablemente necesitemos obtener una respuesta de unas pocas centésimas de segundo. Así que todavía hay mucho camino por recorrer».

Los coautores del estudio del arroz incluyen a Sebesta, Daniel Torres Hinojosa, Joseph Asfouri, Guillaume Dorit, Caiyi Jiang, Linlin Zhang, Qingpu Zhang y Zhang Bao. Otros coautores incluyen a Boshuo Wang, Zhongxi Li, Stefan Goetz y Angel Peterchev de Duke; Zen Xiao y Vicki Colvin de Brown; Y Herman Derek de Baylor.

Financiación: La investigación fue financiada por DARPA (N66001-19-C-4020), la Fundación Nacional de Ciencias (1707562), la Fundación Welch (C-1963) y los Institutos Nacionales de Salud (R01MH107474).

ver también

Esto indica los números escritos.

Sobre esta investigación sobre novedades en neurotecnología

autor: Jade Boyd
fuente: Universidad de arroz
Contacto: Jade Boyd – Universidad de Rice
imagen: Crédito de la foto: C. Sebesta y J. Robinson/Universidad Rice

búsqueda original: Acceso cerrado.
«Control magnético multicanal en subsegundos de circuitos neuronales específicos en moscas que se mueven librementeEscrito por Jacob Robinson et al. materiales de la naturaleza


Resumen

Control magnético multicanal en subsegundos de circuitos neuronales específicos en moscas que se mueven libremente

La activación específica oportuna de células genéticamente seleccionadas es una herramienta poderosa para estudiar circuitos neuronales y controlar terapias basadas en células.

El control magnético de la actividad celular, o «magnetogenética», mediante el calentamiento de nanopartículas magnéticas de canales iónicos sensibles a la temperatura, permite la activación distante y no invasiva de neuronas para aplicaciones en tejidos profundos y actuar libremente en estudios con animales.

Sin embargo, el tiempo de respuesta in vivo de los aferentes termomagnéticos actualmente es de decenas de segundos, lo que impide una modulación temporal precisa de la actividad neuronal. Además, la magnetogenética aún tiene que investigar la estimulación múltiple in vivo de diferentes poblaciones de neuronas.

Aquí producimos respuestas conductuales secundarias en Drosophila vientre negro Mediante la combinación de nanopartículas magnéticas con un termorreceptor sensible a la velocidad (TRPA1-A). Además, al ajustar las nanopartículas magnéticas para que respondan a diferentes intensidades y frecuencias de campos magnéticos, logramos una estimulación sub-segundo multicanal.

Estos resultados acercan la magnetogenética a la resolución temporal y la estimulación múltiple es factible usando la optogenética mientras mantienen la invasividad mínima y la estimulación de tejido profundo posible solo mediante el control magnético.

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