Estimulación mecánica de las neuronas

La estimulación se logra a través de unos nano discos magnéticos que se pueden activar mediante un campo magnético externo, proporcionando una herramienta de investigación para estudiar las respuestas neuronales.

Además de responder a los estímulos eléctricos y químicos, muchas de las células neurales del cuerpo también pueden responder a efectos mecánicos, como la presión o la vibración. Pero estas respuestas han sido más difíciles de estudiar para los investigadores, porque no ha habido un método fácilmente controlable para inducir tal estimulación mecánica de las células. Ahora, los investigadores del MIT y en otros lugares han encontrado un nuevo método para hacer precisamente eso.

El hallazgo podría ofrecer un paso hacia nuevos tipos de tratamientos terapéuticos, similar a la neuroestimulación de base eléctrica que se ha utilizado para tratar la enfermedad de Parkinson y otras condiciones. A diferencia de los sistemas, que requieren una conexión de cable externa, el nuevo sistema estaría completamente libre de contacto después de una inyección inicial de partículas, y podría reactivarse a voluntad a través de un campo magnético aplicado externamente.

El nuevo método abre una nueva vía para la estimulación de las células nerviosas dentro del cuerpo, que hasta ahora casi en su totalidad ha confiado en vías químicas, a través del uso de productos farmacéuticos, o en vías eléctricas, que requieren cables invasivos para entregar voltaje en el cuerpo. Esta estimulación mecánica, que activa vías de señalización completamente diferentes dentro de las propias neuronas, podría proporcionar un área significativa de estudio, dicen los investigadores.

"Una cosa interesante sobre el sistema nervioso es que las neuronas realmente pueden detectar fuerzas", dice Senko. "Así es como funciona tu sentido del tacto, y también tu sentido de la audición y el equilibrio". El equipo se dirigió a un grupo particular de neuronas dentro de una estructura conocida como el ganglio de raíz dorsal, que forma una interfaz entre los sistemas nerviosos central y periférico, porque estas células son particularmente sensibles a las fuerzas mecánicas.

Las aplicaciones de la técnica podrían ser similares a las que se están desarrollando en el campo de los medicamentos bioelectrónicos, dice Senko, pero requieren electrodos que suelen ser mucho más grandes y rígidos que las neuronas que se estimulan, limitando su precisión y a veces dañando las células.

La clave del nuevo proceso fue desarrollar discos minúsculos con una propiedad magnética inusual, lo que puede hacer que comiencen a vibrar cuando se someten a un cierto tipo de campo magnético variable. Aunque las partículas en sí son sólo 100 nanómetros de ancho, aproximadamente una centésima parte del tamaño de las neuronas que están tratando de estimular, se pueden hacer e inyectar en grandes cantidades, de modo que colectivamente su efecto es lo suficientemente fuerte como para activar los receptores de presión de la célula. "Hicimos nanopartículas que realmente producen fuerzas a las que las células pueden detectar y responder", dice Senko.

Anikeeva dice que las nanopartículas magnéticas convencionales habrían requerido que se activaran campos magnéticos imprácticamente grandes, por lo que encontrar materiales que pudieran proporcionar suficiente fuerza con una activación magnética moderada simplemente era "un problema muy difícil". La solución demostró ser un nuevo tipo de nano discos magnéticos.

Estos discos, que tienen cientos de nanómetros de diámetro, contienen una configuración de vórtice de giros atómicos cuando no hay campos magnéticos externos aplicados. Esto hace que las partículas se comporten como si no fueran magnéticas en absoluto, por lo que son excepcionalmente estables en soluciones. Cuando estos discos están sometidos a un campo magnético variable muy débil de unos pocos militesla, con una baja frecuencia de sólo varios hercios, cambian a un estado donde los giros internos están alineados en el plano del disco. Esto permite que estos nano discos actúen como palancas, moviendo hacia arriba y hacia abajo con la dirección del campo.

Anikeeva, que es profesora asociada en los departamentos de Ciencia de Materiales e Ingeniería y Ciencias del Cerebro y Cognitivas, dice que este trabajo combina varias disciplinas, incluyendo nueva química que condujo al desarrollo de estos nano discos, junto con efectos electromagnéticos y el trabajo en la biología de la neuroestimulación.

El equipo primero consideró el uso de partículas de una aleación de metal magnético que podía proporcionar las fuerzas necesarias, pero estos no eran materiales biocompatibles, y eran prohibitivamente caros. Los investigadores encontraron una manera de utilizar partículas hechas de hematita, un óxido de hierro benigno, que puede formar las formas de disco requeridas. La hematita se convirtió entonces en magnetita, que tiene las propiedades magnéticas que necesitaban y se sabe que es benigna en el cuerpo. Esta transformación química de la hematita a la magnetita convierte dramáticamente un tubo rojo sangre de partículas en negro azabache.

"Tuvimos que confirmar que estas partículas de hecho apoyaban este estado de giro realmente inusual, este vórtice", dice Gregurec. Primero probaron las nanopartículas recién desarrolladas y demostraron, utilizando sistemas de imágenes holográficas proporcionados por colegas en España, que las partículas realmente reaccionaban según lo esperado, proporcionando las fuerzas necesarias para provocar respuestas de las neuronas. Los resultados llegaron a finales de diciembre y "todo el mundo pensó que era un regalo de Navidad", recuerda Anikeeva, "cuando recibimos nuestros primeros hologramas, y realmente pudimos ver que lo que teóricamente hemos predicho y sospechado químicamente en realidad era físicamente cierto".

El trabajo todavía está en su infancia, dice. "Esta es una primera demostración de que es posible utilizar estas partículas para transferir grandes fuerzas a las membranas de las neuronas con el fin de estimularlas."

Añade "que abre todo un campo de posibilidades. ... Esto significa que en cualquier lugar del sistema nervioso donde las células son sensibles a las fuerzas mecánicas, y eso es esencialmente cualquier órgano, ahora podemos modular la función de ese órgano". Eso acerca la ciencia un paso más, dice, al objetivo de la medicina bioelectrónica que puede proporcionar estimulación a nivel de órganos individuales o partes del cuerpo, sin necesidad de drogas o electrodos.

El trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos, el Instituto Nacional de Salud Mental, el Departamento de Defensa, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Beca de Posgrado en Ciencias e Ingeniería de Defensa Nacional.

Source: MIT

Escritor de Letras