La nueva tecnología permite a los investigadores modular el cerebro de forma precisa y flexible

Las enfermedades del cerebro humano, como la enfermedad de Parkinson, implican daños en más de una región del cerebro, lo que requiere tecnología que pueda abordar de manera precisa y flexible todas las regiones afectadas simultáneamente.

Investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis han desarrollado una tecnología no invasiva que combina un dispositivo acústico holográfico con ingeniería genética que les permite apuntar con precisión a las neuronas afectadas en el cerebro, creando el potencial de modular con precisión tipos de células seleccionadas en múltiples regiones cerebrales enfermas.

Hong Chen, profesora asociada de ingeniería biomédica en la Facultad de Ingeniería McKelvey y de neurocirugía en la Facultad de Medicina, y su equipo crearon AhSonogenetics, o sonogenética holográfica de haz de Airy, una técnica que utiliza un dispositivo de ultrasonido portátil no invasivo para alterar neuronas seleccionadas genéticamente. en el cerebro de ratones. Los resultados del estudio de prueba de concepto fueron publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias el 17 de junio.

AhSonogenetics reúne varios de los avances recientes del grupo de Chen en una sola tecnología. En 2021, ella y su equipo lanzaron Sonogenetics, un método que utiliza ultrasonido enfocado para administrar una construcción viral que contiene canales iónicos sensibles al ultrasonido a neuronas del cerebro seleccionadas genéticamente. Utilizan ultrasonido enfocado de baja intensidad para generar una pequeña ráfaga de calor, que abre los canales iónicos y activa las neuronas. El equipo de Chen fue el primero en demostrar que la sonogenética podía modular el comportamiento de ratones que se movían libremente.

En 2022, ella y miembros de su laboratorio diseñaron e imprimieron en 3D una herramienta flexible y versátil conocida como Metasuperficie acústica binaria habilitada para haces aireados que les permitió manipular haces de ultrasonido. También está desarrollando Sonogenetics 2.0, que combina las ventajas del ultrasonido y la ingeniería genética para modular neuronas definidas de forma no invasiva y precisa en los cerebros de humanos y animales. AhSonogenetics los reúne como un método potencial para intervenir en enfermedades neurodegenerativas.

«Al permitir una neuromodulación específica de cada tipo de célula, precisa y flexible, sin procedimientos invasivos, AhSonogenetics proporciona una poderosa herramienta para investigar circuitos neuronales intactos y ofrece intervenciones prometedoras para los trastornos neurológicos», dijo Chen.

La sonogenética ofrece a los investigadores una forma de controlar con precisión los cerebros, mientras que la tecnología de rayos aéreos permite a los investigadores doblar o dirigir las ondas sonoras para generar patrones de rayos arbitrarios dentro del cerebro con una alta resolución espacial. Yaoheng (Mack) Yang, investigador asociado postdoctoral que obtuvo un doctorado en ingeniería biomédica de McKelvey Engineering en 2022, dijo que la tecnología brinda a los investigadores tres ventajas únicas.

«Airy Beam es la tecnología que puede brindarnos la orientación precisa de una región más pequeña que la tecnología convencional, la flexibilidad para dirigirnos a las regiones cerebrales objetivo y apuntar a múltiples regiones del cerebro simultáneamente», dijo Yang.

Chen y su equipo, incluidos los primeros autores Zhongtao Hu, un ex investigador asociado postdoctoral, y Yang, diseñaron cada metasuperficie de Airy-beam individualmente como base para dispositivos de ultrasonido portátiles que se diseñaron para diferentes aplicaciones y para ubicaciones precisas en el cerebro.

El equipo de Chen probó la técnica en un modelo de ratón con enfermedad de Parkinson. Con AhSonogenetics, pudieron estimular dos regiones del cerebro simultáneamente en un solo ratón, eliminando la necesidad de múltiples implantes o intervenciones. Esta estimulación alivió los déficits motores relacionados con el Parkinson en el modelo de ratón, incluidos movimientos lentos, dificultad para caminar y comportamientos de congelación.

El dispositivo Airy-beam del equipo supera algunos de los límites de la sonogenética, incluida la adaptación del diseño del dispositivo para apuntar a ubicaciones cerebrales específicas, así como la incorporación de la flexibilidad para ajustar ubicaciones objetivo en un solo cerebro.

Hu dijo que el dispositivo, cuya fabricación cuesta aproximadamente 50 dólares, se puede adaptar en tamaño para adaptarse a varios tamaños de cerebro, ampliando sus aplicaciones potenciales.

«Esta tecnología se puede utilizar como plataforma de investigación para acelerar la investigación en neurociencia debido a la capacidad de apuntar de manera flexible a diferentes regiones del cerebro», dijo Hu. «La asequibilidad y la facilidad de fabricación reducen las barreras para la adopción generalizada de nuestros dispositivos propuestos por parte de la comunidad de investigación para aplicaciones de neuromodulación».