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Biotecnología: uso de energía inalámbrica para encender pequeños estimuladores neuronales


Los dispositivos ópticos implantables que se dirigen a las neuronas pueden mejorarse utilizando bobinas en miniatura más pequeñas que un grano de arroz utilizando tecnología optogenética . 


por Thamarasee Jeewandara, Phys.org


Los científicos pueden propagar pulsos de luz utilizando el método para activar o desactivar la expresión de proteínas en neuronas genéticamente modificadas. Los neurocientíficos han utilizado cables y baterías voluminosos para controlar y recopilar datos de tales configuraciones experimentales hasta ahora. En un estudio reciente, Wasif Khan y un equipo de investigadores en los departamentos interdisciplinarios de Ingeniería Eléctrica e Informática y Fisiología en los Estados Unidos desarrollaron un prototipo completamente inalámbrico para reemplazar el voluminoso hardware.

Para esto, el equipo combinó un diodo emisor de luz (LED) a microescala con dos bobinas a escala milimétrica para crear un sistema de carga inductivo, que entregaba energía instantánea a frecuencias biológicamente seguras en un modelo experimental de roedor (rata). La configuración inalámbrica estimuló las neuronas en la corteza visual , al tiempo que mantuvo el aumento de temperatura por debajo de 1 0 C como umbral crítico de seguridad para los implantes biomédicos. Los resultados ahora están publicados en Microsystems y Nanoengineering .

Khan y col. introdujo un neuroestimulador de un solo canal que contiene un diodo emisor de luz (µLED) acoplado al reflector y microescala con una bobina de receptor inalámbrico (R X ) de tamaño milimétrico integrado . La configuración experimental permitió la neuromodulación de optogenética sin flotación, sin batería y sin ataduras . Utilizaron un enlace inductivo de dos bobinas en el sistema para suministrar potencia instantánea a una frecuencia de operación baja (<100 MHz) para la estimulación óptica continua.

El proceso planteó una mínima invasividad y exposición de los tejidos a la radiación electromagnética. Cuando acoplaron un reflector de microescala al µLED, el reflector óptico mostró una intensidad de luz significativamente mejorada en comparación con el µLED desnudo. Los científicos controlaron la temperatura operativa de la configuración para la biocompatibilidad del implante y realizaron experimentos in vivo en ratas, seguidos de estudios histológicos para verificar la eficacia de la estimulación óptica inalámbrica en la corteza visual primaria del modelo animal. Visualizaron el proceso usando el biomarcador c-Fos , que apareció en verde en la inmunotinción, como un reportero de actividad neuronal evocada por la luz.

Biotecnología: uso de energía inalámbrica para encender pequeños estimuladores neuronales
Diagrama conceptual del opto neuroestimulador inalámbrico y su colocación sobre la corteza del cerebro animal (roedor). Crédito: Microsistemas y Nanoingeniería, doi: 10.1038 / s41378-019-0061-6

Los descubrimientos e inventos en neurociencia recientemente han progresado rápidamente debido a los avances en los implantes de semiconductores en los sistemas neurobiológicos, para una traducción clínica exitosa. Por ejemplo, los científicos pueden usar «productos farmacéuticos» implantables en un nuevo enfoque médico para apuntar al sistema nervioso central y periférico durante la intervención terapéutica. Como resultado, la optogenética está encontrando nuevas aplicaciones en neurociencia para entregar luz a los tejidos neuronales de interés mientras recolecta lecturas de las células utilizando herramientas de control específicas.

La capacidad de implantar fuentes ópticas en miniatura, registrar electrodos, sensores y otros componentes en áreas designadas del cerebro ha renovado el optimismo para el diagnóstico y la terapéutica a largo plazo. Usando tales desarrollos, los científicos pueden estudiar la transmisión de información sensorial primaria a dominios específicos del cerebro, incluidas las regiones olfativas , visuales y auditivas en profundidad. También pueden usar la técnica para comprender las células que impulsan o inhiben bioactividades fundamentales como el hambre , la sed , el equilibrio energético y la respiración a través de patrones de actividad.

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Resultados de caracterización e imágenes de un prototipo operativo. (a, b) Imágenes SEM de la cavidad de Si grabada. (c, d) Recubrimiento posterior y anterior de Al de la cavidad, respectivamente. (e, f) Imágenes AFM para el análisis cuantitativo de la rugosidad de la superficie de la cavidad (unidades del eje x en μm, eje y en nm). (g) Opto neuroestimulador de un solo canal fabricado. h Opto neuroestimuladores monocanal acoplados a bobina Rx. (i, j) Un optoestimulador alimentado de forma inalámbrica por una bobina Tx. Crédito: Microsistemas y Nanoingeniería, doi: 10.1038 / s41378-019-0061-6

La optogenética debe dirigirse a la población neural sin alterar el comportamiento natural de los modelos animales para aplicaciones precisas en medicina. El trabajo pionero de los investigadores en el campo ha llevado al desarrollo de varios neuroestimuladores optimizados con radiofrecuencia (RF) de campo medio y transferencia de potencia de campo lejano. Sin embargo, los científicos aún no han informado sobre un estimulador de alto voltaje (HV) totalmente implantable y miniaturizado que proporcione un control de estimulación preciso de los parámetros de interés. Por lo tanto, un implante óptico inalámbrico ideal debe:

  1. Sea miniatura en la escala milimétrica (mm) para prevenir infecciones quirúrgicas invasivas, inflamación y traumatismos posquirúrgicos.
  2. Permita la transferencia de energía altamente eficiente y la comunicación a larga distancia a las neuronas objetivo de la región profunda con objetivos para aplicaciones humanas.

Un desafío significativo con la ingeniería de tales implantes es la energía requerida para activar ópticamente las opsinas optogenéticas , que típicamente incluyen unos pocos mW , aunque mayores que los valores para la estimulación eléctrica convencional o la comunicación de datos. Para resolver este desafío, Khan y sus colegas propusieron un mini estimulador óptico inalámbrico completamente implantable para entregar suficiente potencia para operaciones µLED, sin superar la temperatura operativa. En el sistema propuesto, incluían una bobina de transmisor de solenoide (T X ) y una unidad receptora (R X ).

En una prueba de concepto del prototipo propuesto, Khan et al. usó un µLED azul (longitud de onda de 465 nm) de 270 µm x 220 µm de área de superficie para excitar ópticamente las neuronas que expresan la canalodopsina . Para validar la funcionalidad del dispositivo en un modelo animal, los científicos colocaron la bobina Tx fuera del cerebro y la acoplaron inductivamente a la bobina Rx, que se integró al neuroestimulador µLED colocado dentro de una cavidad de craneotomía. Los científicos utilizaron el método de flotación libre para la neuromodulación óptica epidural en la cavidad de craneotomía ubicada en la parte superior de la duramadre .

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ARRIBA: Modelo de simulación para el acoplamiento inductivo en planos de sección transversal. El plano 3 se refiere al plano inferior de la bobina Tx (desplazamiento del eje z, z = 0), el plano 1, 2, 4 se refiere a z = 2.5 mm, z = 1 mm y z = −1 mm, respectivamente. (a) El modelo de simulación en HFSS. Distribuciones de flujo magnético para (b) plano 1, (c) plano 2, (d) plano 3 y (e) plano 4. Flujo magnético inducido por la bobina Rx en el plano 2, mientras que Rx se coloca en el centro f Tx y g Tx periferia. Unidades de distribuciones de flujo proporcionadas en la leyenda del mapa de colores. ABAJO: Características ópticas y térmicas. (a) Penetración de luz a través de secciones de tejido con un reflector acoplado (n = 5), (b) mejora de la intensidad del estimulador acoplado al reflector en comparación con un μ-LED desnudo, y (c) cambio de temperatura para dispositivos que estimulan a través de una cortical de 500 μm corte de tejido (n = 3).

Los científicos probaron la morfología de la superficie del prototipo mediante microscopía electrónica de barrido para observar la matriz de cavidades después del grabado isotrópico de silicio y el revestimiento de aluminio superficial. Luego probaron la rugosidad de la superficie usando microscopía de fuerza atómica para detectar superficies que crearon una dispersión de luz insignificante para una intensidad de luz mejorada de manera óptima y activaron el neuroestimulador en una configuración de mesa mediante alimentación inductiva. Los científicos también incorporaron Parylene-c para diseñar las construcciones debido a la biocompatibilidad inherente del material, aunque observaron posibles grietas como antes como resultado de las altas temperaturas en el proceso de ingeniería.

Khan y col. propiedades electromagnéticas simuladas del enlace inductivo entre las bobinas Rx y Tx utilizando el método de elementos finitos (FEM) y el software estimulador de estructura de alta frecuencia (HFSS); para mostrar similitudes entre la bobina Tx simulada y las diseñadas en el trabajo. Los científicos investigaron las propiedades ópticas y demostraron que el neuroestimulador podía alcanzar células cerebrales profundas de manera menos invasiva en comparación con una guía de ondas o sondas penetrantes. Si bien los datos mostraron un rendimiento óptico superior del estimulador acoplado al reflector, la intensidad se redujo considerablemente con secciones de tejido más gruesas . La intensidad del estimulador acoplado al reflector fue significativamente mayor en el presente trabajo en comparación con un estimulador simple para estimulación cerebral profunda efectiva sin invasión de tejido cerebral profundo. Khan y col. De manera similar, probó y optimizó las propiedades térmicas, las propiedades electromagnéticas y la eficacia de transferencia de potencia del prototipo de neuroestimulador. Para realizar estudios traslacionales en un modelo animal, los científicos propusieron implantar la bobina del resonador entre el cráneo y la piel sin conexiones de cables a la bobina Tx o Rx.

Biotecnología: uso de energía inalámbrica para encender pequeños estimuladores neuronales
Validación del sistema mediante inmunohistología. (a) Estimulación in vivo usando un neuroestimulador inalámbrico en el V1 de una rata anestesiada. (b) representación cuantitativa de células expresadas en c-Fos usando la clasificación celular. Imágenes fluorescentes de mCherry (c, e) así como expresiones de c-Fos (d, f) de las cortezas control y estimuladas, respectivamente, obtenidas de las mismas áreas corticales del mismo animal transfectado. (g, h) expresiones c-Fos de las cortezas control y estimuladas, respectivamente, obtenidas de un animal no transfectado. Crédito: Microsistemas y Nanoingeniería, doi: 10.1038 / s41378-019-0061-6

Luego, los científicos realizaron experimentos in vivo en ratas transfectadas (ADN extraño introducido en las células) para luego implementar los procedimientos quirúrgicos propuestos. Siguieron los experimentos con ensayos inmunohistoquímicos para validar la eficacia del procedimiento de transfección celular y el posterior procedimiento de estimulación óptica en las ratas. Durante la transfección, indujeron la expresión de canalrodopsina-2 en los modelos animales con una solución viral y luego colocaron el estimulador en espiral en la corteza visual primaria (lóbulo V1) del animal para la estimulación óptica posterior. Los científicos acoplaron el estimulador en espiral a una bobina Tx y utilizaron el otro lóbulo V1 del mismo animal como muestra de control.

Después de completar los experimentos in vivo, los científicos analizaron la expresión de c-Fos (tinte verde) en el lóbulo estimulado versus no estimulado para identificar la actividad neuronal. Para esto, Khan et al. utilizó ensayos inmunobiológicos en el trabajo y observó una elevada expresión de c-Fos (verde) dentro de la corteza transfectada por virus (rojo) inducida por la estimulación con LED del neuroestimulador experimental.

De esta manera, Khan et al. diseñó, fabricó y caracterizó un neuroestimulador óptico inalámbrico de un canal con reflector acoplado con una bobina receptora de tamaño mm para la neuromodulación optogenética. El estimulador acoplado al reflector permitió un mayor rendimiento en comparación con µLED desnudo en el presente trabajo. Los científicos estudiaron el rendimiento de la telemetría de dos bobinas.enlace utilizando modelos de circuitos analíticos, estimulaciones FEM y enfoques experimentales. Verificaron el potencial propuesto del neuroestimulador en un modelo de rata con actividad celular regulada al alza observada mediante estimulación óptica. Khan y col. tendrá como objetivo realizar más investigaciones en el futuro para miniaturizar los dispositivos para aplicaciones neurobiológicas.


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