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Una nueva herramienta activa las neuronas cerebrales profundas combinando ultrasonidos y genética

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Es el primer trabajo que demuestra que la sonotermogenética puede controlar el comportamiento mediante la estimulación de un objetivo específico en las profundidades del cerebro

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Trastornos neurológicos como la enfermedad de Parkinson y la epilepsia han tenido cierto éxito en su tratamiento con la estimulación cerebral profunda, pero ésta requiere la implantación de un dispositivo quirúrgico. Un equipo multidisciplinar de la Universidad de Washington, en San Luis, ha desarrollado una nueva técnica de estimulación cerebral mediante ultrasonidos focalizados que es capaz de activar y desactivar tipos específicos de neuronas en el cerebro y controlar con precisión la actividad motora sin necesidad de implantar un dispositivo quirúrgico.

El equipo de investigación estaba formado por expertos de renombre en sus campos, tanto de la Facultad de Ingeniería McKelvey como de la Facultad de Medicina, entre los que se encontraban Jianmin Cui, profesor de ingeniería biomédica; Joseph P. Culver, profesor de radiología, de física y de ingeniería biomédica; Mark J. Miller, profesor asociado de medicina en la División de Enfermedades Infecciosas del Departamento de Medicina; y Michael Bruchas, anteriormente de la Universidad de Washington, ahora profesor de anestesiología y farmacología en la Universidad de Washington.

"Nuestro trabajo ha demostrado que la sonotérmica evoca respuestas conductuales en ratones que se mueven libremente y que se dirigen a un lugar profundo del cerebro", dijo Chen. "La sonotermogenética tiene el potencial de transformar nuestros enfoques para la investigación en neurociencia y descubrir nuevos métodos para entender y tratar los trastornos cerebrales humanos"

Utilizando un modelo de ratón, Chen y su equipo administraron una construcción viral que contenía canales iónicos TRPV1 a neuronas seleccionadas genéticamente. A continuación, administraron pequeñas ráfagas de calor mediante ultrasonidos focalizados de baja intensidad a las neuronas seleccionadas en el cerebro a través de un dispositivo portátil. El calor, sólo unos pocos grados más caliente que la temperatura corporal, activó el canal iónico TRPV1, que actuó como un interruptor para encender o apagar las neuronas.

"Podemos mover el dispositivo de ultrasonidos que llevan en la cabeza los ratones que se mueven libremente para dirigirnos a diferentes lugares de todo el cerebro", explica Yaoheng Yang, primer autor del trabajo y estudiante de posgrado en ingeniería biomédica. "Como no es invasiva, esta técnica tiene el potencial de ampliarse a animales grandes y, potencialmente, a seres humanos en el futuro"

El trabajo se basa en una investigación realizada en el laboratorio de Cui que se publicó en Scientific Reports en 2016. Cui y su equipo descubrieron por primera vez que los ultrasonidos por sí solos pueden influir en la actividad de los canales iónicos y podrían conducir a formas nuevas y no invasivas de controlar la actividad de células específicas. En su trabajo, descubrieron que los ultrasonidos focalizados modulaban las corrientes que circulaban por los canales iónicos en una media de hasta un 23%, dependiendo del canal y de la intensidad del estímulo. Tras este trabajo, los investigadores encontraron cerca de 10 canales iónicos con esta capacidad, pero todos ellos son mecanosensibles, no termosensibles.

El trabajo también se basa en el concepto de optogenética, la combinación de la expresión selectiva de canales iónicos sensibles a la luz y el suministro preciso de luz para estimular las neuronas en lo más profundo del cerebro. Aunque la optogenética ha aumentado el descubrimiento de nuevos circuitos neuronales, su profundidad de penetración es limitada debido a la dispersión de la luz y requiere la implantación quirúrgica de fibras ópticas.

La sonotermogenética promete dirigirse a cualquier lugar del cerebro del ratón con una resolución a escala milimétrica sin causar ningún daño al cerebro, dijo Chen. Ella y su equipo siguen optimizando la técnica y validando sus resultados.