Crecimiento y reparación de cerebros con luz infrarroja
Navegación asistida por láser de neuronas corticales de rata. Izquierda: Superposición de un lapso de tiempo del tallo axonal desplazándose hacia la izquierda, repelido por un rayo láser. Derecha: imagen de un axón típico antes y después de su cambio. La posición del punto del láser se marca con un círculo rojo. (Crédito: B. Black et al./Optics Letters)
Científicos de la Universidad de Texas, Arlington, han descubierto la manera de controlar el crecimiento o la reparación de neuronas y circuitos neuronales por medio del uso de un rayo láser infrarrojo cercano (near-IR) no invasivo –esencialmente, recablear cerebros o incluso crear nuevos.
Este gran descubrimiento, publicado hoy en Optics Letters, promete muchísimas aplicaciones nuevas, dijo Samarendra Mohanty, profesor asistente de física. Entre ellas tendríamos:
- Construcción de circuitos neuronales en 3D altamente precisos in-vitro como un modelo para futuras supercomputadoras que usen chips neuromórficos (o incluso usando las mismas neuronas en una computadora biológica artificialmente creada).
- Cartografía de la actividad cerebral, en combinación con herramientas de estimulación exacta y de imagen tales como el estimulador optogenético de fibra óptica.
- Reparación de neuronas dañadas en el sistema nervioso periférico al recablear las lesiones (para pacientes con daño en la médula espinal, por ejemplo)
- Recableado de la circuitería cerebral en el futuro, corrigiendo neuronas dañadas o enfermas y también circuitos neuronales (el near-IR puede penetrar de manera no invasiva).
Guiando el crecimiento de axones
En un descubrimiento fundamental, Mohanty descubrió que el crecimiento del axón puede ser controlado con precisión por un near-IR cercano al axón. Este proceso genera calor localizado, causando que el axón cambie la dirección de su crecimiento en cosa de 10 minutos. Descubrió que los axones pueden percibir cambios sorprendentemente bajos de temperatura (gradientes) menores a 0.1 grados Celsius generados localmente con un near-IR.
El equipo de Mohanty realizó experimentos de conducción óptica utilizando neuronas corticales aisladas de embriones de rata de 18 días. Un láser con poder de 80 mW fue utilizó, con un largo de onda de 785 nm (700 a 1000nm, y también funcionó con energía de varios grados de magnitud más baja pero la luz visible causó daño en el cono de crecimiento axonal). El rayo fue colocado a ~5 µm de distancia de la filopodia de los axones, posicionada asimétricamente en la ruta hacia donde avanzaba el cono de crecimiento.
En el artículo publicado en Optics Letters, los autores indican que este método puede ser fácilmente extendido para formar redes neuronales in-vitro por medio del control espacio-temporal del rayo láser.
“Esto puede lograrse por medio del uso de barrido con rayos láser o esculpir los puntos láser usando elementos ópticos defractivos (como lentes), moduladores espaciales de luz (SLMs por sus siglas en inglés), e incluso con proyectores estándar de luz”.
“Tener la capacidad de formar circuitería neuronal in-vitro de alta fidelidad usando el método de dirección fotónica no invasiva descrito aquí nos permitirá investigar las funciones de los bloques básicos de construcción de las redes neuronales”.
La circuitería neuronal puede ser aumentada utilizando “tijeras láser” de near-IR ultra rápidos para nano cirugías de conexiones no deseadas –silenciando así neuronas específicas o elementos neuronales (axón, dendrita, columna) en el circuito. Al combinarse con estimulación óptica y herramientas de imagen, esté método permitirá medir todos los elementos ópticos de la naturaleza computacional de los circuitos neuronales.
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