Los científicos descubren cómo "hackear el cerebro" sin recurrir a la cirugía

Un montón de ciencia legítima, más una gran cantidad de ciencia ficción, analiza formas de "piratear el cerebro". Lo que realmente significa, la mayoría de las veces, incluso en los ejemplos ficticios, implica cirugía, abrir el cráneo para implantar cables o dispositivos físicamente. en el cerebro.

Pero eso es difícil, peligroso y potencialmente mortal. Sería más inteligente trabajar con el cerebro sin necesidad de abrir los cráneos de los pacientes. Los trastornos neurológicos son comunes y afectan a más de mil millones de personas en todo el mundo, de todas las edades, géneros y niveles educativos y de ingresos. La investigación de mi equipo de ingeniería neural, como parte de un esfuerzo más amplio a través de la disciplina de la bioingeniería, está trabajando para comprender y aliviar varias disfunciones neurológicas, como la esclerosis múltiple, el trastorno del espectro autista y la enfermedad de Alzheimer.

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Identificar e influir en la actividad cerebral desde fuera del cráneo podría eventualmente permitir a los médicos diagnosticar y tratar una amplia gama de enfermedades del sistema nervioso y trastornos mentales debilitantes sin cirugía invasiva.

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Conexiones inalámbricas dentro del cerebro

Mi grupo cree que somos los primeros en descubrir una nueva forma en que las células nerviosas se comunican entre sí. Se sabe que los nervios se conectan a través de enlaces físicos, o lo que podría llamarse conexiones "cableadas", en las que los axones de una célula nerviosa envían señales eléctricas y químicas a las dendritas de una célula vecina.

Nuestra investigación ha encontrado que las células nerviosas también se comunican de forma inalámbrica, al usar la actividad cableada para crear sus propios campos eléctricos y detectar los campos que crean las células vecinas. Esto crea la posibilidad de muchas más vías neuronales y puede ayudar a explicar por qué diferentes partes del cerebro se conectan tan rápidamente durante la ejecución de tareas complicadas.

Hemos podido monitorear estos campos eléctricos desde fuera del cráneo, escuchando efectivamente las comunicaciones nerviosas. Esperamos que nos ayude a encontrar conexiones alternativas y saludables para los nervios dañados por la esclerosis múltiple, o a reequilibrar la actividad nerviosa debida al trastorno del espectro autista, o a las neuronas principales para disparar juntas en patrones específicos y restaurar los recuerdos perdidos a largo plazo como resultado de la enfermedad de Alzheimer.

Específicamente, hemos encontrado que cuando una fibra nerviosa aislada o mielinizada en el cerebro está activa y enviando señales a lo largo de su longitud conocidas como potenciales de acción, las regiones especiales a lo largo de su longitud generan un campo eléctrico muy pequeño. Las regiones celulares donde ocurre esto, llamadas nodos de Ranvier, actúan como pequeñas antenas que pueden transmitir y recibir señales eléctricas.

Cualquier interrupción de las dos estructuras altamente especializadas, la vaina de mielina o el nodo de Ranvier, no solo produce una disfunción neurológica, sino que también cambia el campo eléctrico circundante.

Escuchando a los nervios

El desafío tecnológico implica apuntar con precisión a partes específicas del cerebro para escuchar. El dispositivo debe recibir señales de áreas aproximadamente del diámetro de un cabello humano, a varios centímetros de profundidad dentro del cerebro.

Una forma es colocar una pequeña cantidad de parches de antena flexibles en el cráneo para crear lo que llamamos una "lente cerebral". La comparación de las lecturas de varios parches nos permite apuntar electrónicamente exactamente a los nervios para escucharlos. Estamos diseñando y experimentando con metamateriales (materiales diseñados a nivel molecular) que son especialmente buenos para servir como antenas de alta precisión que se pueden sintonizar para recibir señales desde ubicaciones muy específicas.

Sin dolor, pero potencialmente gran ganancia

Al escuchar las comunicaciones inalámbricas entre los nervios, podemos identificar áreas del cerebro donde los campos eléctricos indican que hay problemas. Las características detalladas de la actividad de un nervio, o la falta de actividad, pueden ofrecer pistas sobre qué problema específico está ocurriendo en el cerebro. Estos hallazgos podrían ayudar a diagnosticar condiciones médicas potenciales mucho más fácilmente que los métodos actuales.

Mire, por ejemplo, el caso real de un paciente, una mujer de 38 años a la que llamaremos "Bianca", a la que se le ha diagnosticado esclerosis múltiple, una enfermedad degenerativa del cerebro y la médula espinal que no tiene cura conocida.. Los sistemas inmunológicos de los pacientes con esclerosis múltiple dañan la vaina de mielina entre los nódulos de Ranvier y causan problemas de comunicación entre el cerebro y el resto del cuerpo. Este daño altera radicalmente la actividad en los nervios afectados.

Para monitorear el progreso de su enfermedad, Bianca ha tenido punciones espinales para ver si su líquido espinal tiene niveles altos de anticuerpos particulares asociados con la esclerosis múltiple. También se le realizaron exploraciones de resonancia magnética para revelar las áreas de su cerebro donde está dañada la mielina, y se enfrentará a pruebas adicionales para determinar qué tan rápido fluye la información a través de su sistema nervioso.

El uso de un dispositivo de lente cerebral permitiría a los médicos monitorear el cerebro de Bianca sin los golpecitos espinales dolorosos y las resonancias magnéticas y tomografías computarizadas incómodas y que consumen mucho tiempo. Es posible que algún día permita que Bianca controle su propio cerebro y envíe los datos a su especialista para su evaluación.

Tratamiento terapéutico sin drogas y cirugía.

Además, esperamos que nuestro enfoque pueda conducir a nuevas terapias que también sean más fáciles para los pacientes. En este momento, Bianca está tomando varios medicamentos que conllevan importantes riesgos para la salud y que a menudo la hacen sentir nauseabunda y fatigada. Ella es una de las muchas que quieren probar una opción de terapia diferente.

Este trabajo planea ir más allá de identificar las regiones de su cerebro donde los campos eléctricos indican condiciones insalubres. Inspirados por la administración de redes de computadoras y las redes digitales avanzadas, que dirigen las señales alrededor de áreas dañadas o interrumpidas, estamos desarrollando un método mediante el cual nuestro sistema de parche para el cuero cabelludo también podría enviar mensajes al cerebro.

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Cada fibra nerviosa dañada es generalmente una de las miles agrupadas en un tramo de fibras nerviosas donde las fibras nerviosas vecinas son típicamente saludables. Nuestro dispositivo podría ayudar a identificar los sitios con daño de mielina y hacer un seguimiento de esas fibras nerviosas antes del punto de daño, para detectar sus señales intactas. Luego usaríamos la lente del cerebro para transmitir campos eléctricos complementarios al cerebro, enviando esas señales saludables a las áreas alrededor del daño de la mielina, para alentar a las fibras nerviosas vecinas a llevar los mensajes que la fibra dañada no puede.

Hasta ahora, hemos podido simular este enfoque en un entorno de supercomputación en el que los laboratorios de investigación clínica han proporcionado parámetros del nervio cerebral. En los próximos meses, construiremos y probaremos un prototipo de lente cerebral. Escuchar el cerebro y comunicarse con él ofrece un nuevo y fascinante conjunto de posibilidades para el diagnóstico y tratamiento médico sin cirugía.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation por Salvatore Domenic Morgera. Lee el artículo original aquí.