Activación inalámbrica del circuito cerebral específico

jacob robinson

imagen: Jacob Robinson es profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Rice y miembro de la Iniciativa de neuroingeniería de Rice.
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Crédito: Jeff Fitlow/Universidad de Rice

HOUSTON – (14 de julio de 2022) – Un equipo de investigación dirigido por neuroingenieros de la Universidad de Rice ha creado tecnología inalámbrica para activar de forma remota circuitos cerebrales específicos en moscas de la fruta en menos de un segundo.

en un demostración publicada en Materiales de la naturalezainvestigadores de Rice, Duke University, Brown University y Baylor College of Medicine utilizaron señales magnéticas para activar neuronas específicas que controlaban la posición del cuerpo de moscas de la fruta que se movían libremente en un recinto.

“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 robinsonprofesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en Rice y miembro del Rice’s Iniciativa de neuroingeniería. “El control remoto de circuitos neuronales seleccionados con campos magnéticos es algo así como un santo grial para las neurotecnologías. Nuestro trabajo da un paso importante hacia ese objetivo porque aumenta la velocidad del control magnético remoto, acercándolo a la velocidad natural del cerebro”.

Robinson dijo que la nueva tecnología activa los circuitos neuronales unas 50 veces más rápido que la mejor tecnología demostrada anteriormente para la estimulación magnética de neuronas definidas genéticamente.

“Hicimos progresos porque el autor principal, Charles Sebesta, tuvo la idea de usar un nuevo canal de iones que fuera sensible a la tasa de cambio de temperatura”, dijo Robinson. “Al reunir a expertos en ingeniería genética, nanotecnología e ingeniería eléctrica, pudimos juntar todas las piezas y demostrar que esta idea funciona. Este fue realmente un esfuerzo de equipo de científicos de clase mundial con los que tuvimos la suerte de trabajar”.

Los investigadores utilizaron 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 con un campo magnético aplicado. Una cámara superior observaba moscas mientras deambulaban libremente por un recinto encima de un electroimán. Cambiando el campo del imán de una manera específica, los investigadores pudieron calentar las nanopartículas y activar las neuronas. Un análisis del video de los experimentos mostró que las moscas con las modificaciones genéticas asumieron la postura de alas extendidas dentro de aproximadamente medio segundo del cambio del campo magnético.

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

Robinson es investigador principal de MOANA, un proyecto ambicioso para desarrollar tecnología de auriculares para comunicación no quirúrgica, inalámbrica, de cerebro a cerebro. Abreviatura de “acceso neuronal magnético, óptico y acústico”, MOANA está financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) para desarrollar una tecnología de auriculares que pueda “leer” o decodificar la actividad neuronal en la corteza visual de una persona y “escribir” o codificar esa actividad en el cerebro de otra persona. Té magnetogenético La tecnología es un ejemplo de esto último.

El equipo de Robinson está trabajando para lograr el objetivo de restaurar parcialmente la visión de los pacientes ciegos. Al estimular 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.

“El objetivo a largo plazo de este trabajo es crear métodos para activar regiones específicas del cerebro en humanos con fines terapéuticos sin tener que realizar una cirugía”, dijo Robinson. “Para llegar a la precisión natural del cerebro, probablemente necesitemos obtener una respuesta de unas pocas centésimas de segundo. Así que todavía hay un camino por recorrer”.

Los coautores del estudio de Rice incluyen a Sebesta, Daniel Torres Hinojosa, Joseph Asfouri, Guillaume Duret, Kaiyi Jiang, Linlin Zhang, Qingbo Zhang y Gang Bao. Otros coautores incluyen Boshuo Wang, Zhongxi Li, Stefan Goetz y Angel Peterchev de Duke; Zhen Xiao y Vicki Colvin de Brown; y Herman Dierick de Baylor.

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).

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Documento revisado por pares:

“Control magnético subsegundo multicanal de circuitos neuronales seleccionados en moscas que se mueven libremente”, Nature Materials, DOI: 10.1038/s41563-022-01281-7

doi.org/10.1038/s41563-022-01281-7

Video:

https://youtu.be/ZcBIlSS2FUM

Investigadores de la Universidad de Rice, la Universidad de Duke, la Universidad de Brown y la Facultad de Medicina de Baylor desarrollaron 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 al calor 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, disparando los canales y activando las neuronas. Una cámara superior filmó a las moscas durante los experimentos, y un análisis visual mostró que las moscas con las modificaciones genéticas asumieron la postura de alas extendidas aproximadamente medio segundo después de recibir la señal magnética. (Video cortesía de C. Sebesta y J. Robinson/Universidad Rice)

Descargas de imágenes:

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LEYENDA: Investigadores de la Universidad de Rice, la Universidad de Duke, la Universidad de Brown y la Facultad de Medicina de Baylor desarrollaron 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 al calor 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, disparando los canales y activando las neuronas. Una cámara superior filmó a las moscas durante los experimentos, y un análisis visual mostró que las moscas con las modificaciones genéticas asumieron la postura de alas extendidas aproximadamente medio segundo después de recibir la señal magnética. (Figura cortesía de C. Sebesta y J. Robinson/Universidad Rice)

https://news-network.rice.edu/news/files/2022/07/0705_FLYBRAIN-prfg1-lg.jpg
LEYENDA: Investigadores de la Universidad de Rice, la Universidad de Duke, la Universidad de Brown y la Facultad de Medicina de Baylor diseñaron neuronas genéticamente que controlan la postura de las moscas de la fruta para que reaccionen a las señales de un campo magnético. A las moscas se les inyectaron nanopartículas de hierro que convirtieron las señales magnéticas en calor, activando las neuronas. Una cámara superior filmó cómo se comportaban las moscas cuando un campo magnético en su recinto inactivaba y activaba las neuronas. (Figura cortesía de C. Sebesta y J. Robinson/Universidad Rice)

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LEYENDA: Jacob Robinson (Foto de Jeff Fitlow/Universidad Rice)

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Enlaces:

Laboratorio Robinson: www.robinsonlab.es

Iniciativa de neuroingeniería de arroz: neuroingeniería.rice.edu

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Rice: eceweb.arroz.edu

Escuela de Ingeniería George R. Brown: ingeniería.arroz.edu

Este comunicado se puede encontrar en línea en noticias.arroz.edu.

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Ubicada en un campus boscoso de 300 acres en Houston, la Universidad de Rice está constantemente clasificada entre las 20 mejores universidades del país por US News & World Report. Rice tiene escuelas muy respetadas de Arquitectura, Negocios, Estudios Continuos, Ingeniería, Humanidades, Música, Ciencias Naturales y Ciencias Sociales y es sede del Instituto Baker para Políticas Públicas. Con 4.240 estudiantes universitarios y 3.972 estudiantes de posgrado, la proporción de estudiantes universitarios por docente de Rice es un poco menos de 6 a 1. Su sistema de colegios residenciales construye comunidades muy unidas y amistades para toda la vida, solo una de las razones por las que Rice ocupa el puesto número 1 por mucha interacción raza/clase y el número 1 por calidad de vida según Princeton Review. Rice también está calificada como la de mejor valor entre las universidades privadas por Kiplinger’s Personal Finance.


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