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Aug 05, 2023

Un sistema de sonda espinal diminuto y flexible podría conducir a mejores terapias

Es más difícil acceder y estudiar la médula espinal que incluso el cerebro. Los desafíos que plantea su movilidad y estructura anatómica han dificultado la comprensión exacta de cómo funciona. Arroz

Es más difícil acceder y estudiar la médula espinal que incluso el cerebro. Los desafíos que plantea su movilidad y estructura anatómica han dificultado la comprensión exacta de cómo funciona.

Los ingenieros de la Universidad Rice trabajarán con colaboradores para optimizar una serie de hilos nanoelectrónicos, o NET, que ya se utilizan con éxito para recopilar datos de alta fidelidad y a largo plazo de las neuronas del cerebro, para su uso en la columna vertebral, con el apoyo de cuatro millones de dólares. Beca de un año de los Institutos Nacionales de Salud.

Además de los registros de la actividad neuronal, las sondas NET pueden proporcionar una estimulación localizada y sintonizable de las neuronas adyacentes. Los neuroingenieros de Rice también esperan maximizar el ancho de banda funcional de los NET integrándolos en un sistema de procesamiento de datos a mayor escala.

La nueva herramienta podría ayudar a los neurocientíficos a descifrar los secretos de la función de la médula espinal y brindar nuevas esperanzas a los pacientes que padecen lesiones y otras afecciones médicas asociadas.

"Hasta ahora, no hemos comprendido bien cómo funcionan realmente las neuronas de la médula espinal", dijo Chong Xie, investigador principal de la subvención y profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y neuroingeniería. “Por ejemplo, si mueves los brazos o caminas, tienes la intención en tu cerebro y los músculos funcionan exactamente como tú quieres. Esta conversión de la intención inicial en movimientos específicos de cada uno de los músculos se opera e implementa en la médula espinal, donde circuitos compuestos por muchísimas neuronas se encargan de realizar este trabajo. Pero no sabemos exactamente cómo se logra esto”.

El uso de electrodos para rastrear la actividad neuronal en el cerebro ha permitido a los neurocientíficos aprender mucho sobre la función cerebral. Las sondas NET flexibles desarrolladas por Xie y sus colaboradores se integran perfectamente con el tejido cerebral y funcionan mejor que las sondas rígidas cuando se utilizan para registrar información eléctrica de neuronas individuales en el cerebro.

Las pruebas preliminares han demostrado que las sondas NET pueden lograr grabaciones de alta calidad y larga duración de las neuronas de la médula espinal de ratones. Sin embargo, los científicos pretenden adaptar aún más los NET a las demandas estructurales y funcionales específicas de la médula espinal.

En el cerebro, la distribución de las neuronas, o materia gris, y los haces de fibras nerviosas conocidos como materia blanca es exactamente inversa a la anatomía de la médula espinal.

"Normalmente nos referimos a esto como la 'anatomía de adentro hacia afuera' de la médula espinal", dijo Lan Luan, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática y coinvestigador de la subvención. “La capa externa del cerebro ⎯ la materia gris ⎯ es donde están las neuronas, mientras que las fibras llamadas materia blanca están en el interior. En la médula espinal, la sustancia o fibras blancas están en el exterior, protegiendo a las neuronas. Esto hace que acceder a esas neuronas sea más desafiante”.

Para garantizar un mejor acceso, los científicos planean desarrollar un diseño de sonda que sea lo suficientemente pequeño como para ser implantado en diferentes sitios de la columna vertebral pero que tenga una cobertura de mayor profundidad y suficientes canales para capturar datos de las neuronas en una sección transversal de la médula espinal.

Otro objetivo es dotar a las sondas de capacidades de estimulación además de su función de registro.

"El electrodo puede hacer ambas cosas", dijo Luan. “Esto tiene una relevancia directa para la salud, porque para los pacientes con lesión de la médula espinal u otro tipo de lesiones, la estimulación podría ser una forma de restaurar el control motor fino. Existen varias tecnologías muy exitosas que demuestran que la estimulación en la médula puede restaurar los movimientos locales. Pero para lograr un control motor más fino, creemos que debemos ingresar al cordón y tener un mayor grado de acceso y precisión para aplicar esta estimulación”.

La médula espinal desempeña un papel importante en los procesos del dolor, por lo que identificar qué neuronas espinales están directamente involucradas en la transmisión de señales de dolor podría abrir la puerta a mejores terapias para el manejo del dolor.

"Identificar el tipo específico de neuronas espinales que desempeñan un papel importante en el procesamiento de la información sobre el dolor podría permitir el desarrollo de fármacos que se dirijan precisamente a esas células", dijo Xie. "O tal vez podamos usar los electrodos para estimular esas neuronas y modular su actividad para que no transmitan la señal de dolor al cerebro".

Los científicos planean no solo optimizar el diseño de la sonda, sino también incorporar NET espinales en un sistema de procesamiento de datos y estimulación y retroalimentación integrado y extremadamente miniaturizado.

Además de desarrollar la tecnología, Xie, Luan y su equipo se han asociado con el laboratorio Pfaff del Instituto Salk de Estudios Biológicos, el laboratorio Weber de la Universidad Carnegie Mellon y los laboratorios Basbaum y Ganguly de la Universidad de California en San Francisco para una serie de estudios de la médula espinal que probarán los dispositivos en diferentes regiones de la columna, modelos animales y temas de investigación. Luan dijo que esperaba que el desarrollo y la optimización de la tecnología basada en NET para la investigación de la médula espinal "proporcione una herramienta que pueda ayudar a toda la comunidad de neurociencias a lograr un comprensión más fundamental de la función de la médula espinal”. “Mi verdadera esperanza es que, dentro de cuatro años, al final de este proyecto, los neurocientíficos puedan ver y hacer cosas nuevas que son imposibles con la tecnología actual”, dijo Xie.

Número de premio: U01NS131086-01 Título: “Optimización de electrodos ultraflexibles y electrónica integrada para grabación y modulación intraespinal a gran escala y alta resolución”

https://news-network.rice.edu/news/files/2023/04/230330_NIH-U01-Grant-Chong-Xie-Lan-Luan_1_LG.jpg TÍTULO: Chong Xie (izquierda) es el investigador principal de la subvención y profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y neuroingeniería en Rice. Lan Luan es profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática y coinvestigador de la subvención. (Foto de Gustavo Raskosky/Universidad de Rice)

Los ingenieros exploran la fuente de los sueños y los pensamientos: https://news.rice.edu/news/2022/engineers-explore-source-dreams-and-thinks Sondas suaves podrían permitir la recopilación masiva de datos cerebrales: https://news.rice .edu/news/2020/gentle-probes-could-enable-massive-brain-data-collection El flujo sanguíneo se recupera más rápido que el cerebro en micro accidentes cerebrovasculares: https://news.rice.edu/news/2020/blood-flow- se recupera-mas-rapido-micro-ictus-cerebral

Laboratorio Luan: https://www.luanlab.net/ Laboratorio Xie: https://www.chongxie.net/ Iniciativa de neuroingeniería de Rice: https://neuroengineering.rice.edu/ Laboratorio de electromagnética y sistemas integrados de Rice (grupo Chi) : https://chilab.info Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática: https://eceweb.rice.edu

Ubicada en un campus boscoso de 300 acres en Houston, la Universidad Rice está constantemente clasificada entre las 20 mejores universidades del país según US News & World Report. Rice cuenta con escuelas muy respetadas de Arquitectura, Negocios, Estudios Continuos, Ingeniería, Humanidades, Música, Ciencias Naturales y Ciencias Sociales y es sede del Instituto Baker de Políticas Públicas. Con 4.552 estudiantes universitarios y 3.998 estudiantes de posgrado, la proporción de estudiantes universitarios por docente de Rice es de poco menos de 6 a 1. Su sistema de colegios residenciales construye comunidades muy unidas y amistades para toda la vida, solo una de las razones por las que Rice ocupa el puesto número 1 por su gran interacción entre raza y clase y el número 4 por calidad de vida según Princeton Review. Rice también está calificada como la de mejor valor entre las universidades privadas por Kiplinger's Personal Finance.