Los dispositivos optogenéticos inalámbricos sincronizan neuronas entre ratones

Un dispositivo diminuto: Un nuevo dispositivo optogenético puede implantarse completamente bajo la piel de un ratón y controlarse de forma inalámbrica, lo que permite a los animales moverse libremente durante los experimentos. / Cortesía de Yiyuan Yang

POR NIKO MCCARTY

Fuente: Spectrum | 17/06/2021

Fotografía: Cortesía de Yiyuan Yang

Dos nuevos dispositivos inalámbricos pueden sincronizar la actividad neuronal de varios ratones a la vez, lo que permite a los investigadores explorar cómo la sincronización entre cerebros subyace a los comportamientos sociales.

Los dispositivos, descritos en Nature Neuroscience en mayo, utilizan la optogenética, una técnica en la que pulsos de luz activan o silencian neuronas diseñadas para expresar proteínas sensibles a la luz llamadas opsinas. La misma técnica se ha utilizado para estudiar el papel de la hormona oxitocina en los comportamientos sociales relacionados con el autismo.

Los dispositivos optogenéticos tradicionales se alimentan de cables que pueden limitar la velocidad y la distancia de los movimientos de los animales, lo que dificulta el estudio de la relación entre la actividad neuronal y los comportamientos sociales.

Los investigadores han desarrollado dispositivos optogenéticos inalámbricos alimentados por baterías que pueden montarse en la cabeza del animal, pero estos aparatos suelen ser voluminosos y distraen a los animales. "Los ratones tienden a roer los dispositivos montados en la cabeza, así que queríamos implantes totalmente subdérmicos", dice John Rogers, director del Instituto Querrey Simpson de Bioelectrónica de la Universidad Northwestern en Evanston (Illinois).

Rogers y sus colegas crearon un dispositivo delgado, de unos 1,2 milímetros de grosor, que pueden montar bajo la piel de la cabeza de un ratón. Lleva dos luces micro-LED fijadas en los extremos de unas sondas afiladas que pueden inyectarse en el cráneo y controlarse de forma independiente.

El equipo también fabricó un dispositivo más grande y potente que puede montarse en la espalda del animal; tiene cuatro micro-LED en las puntas de bobinas metálicas que se extienden por el cuello hasta el cráneo. El dispositivo más grande puede estirarse y doblarse para adaptarse a la amplia gama de movimientos de un ratón.

Ambos dispositivos se alimentan de forma inalámbrica y pueden controlarse desde un ordenador cercano en tiempo real, lo que permite a los investigadores modular la intensidad óptica, la duración del pulso y la frecuencia de cada luz en hasta 256 animales a la vez sin impedir su movimiento.

Sincronización social: La estimulación sincronizada del córtex prefrontal medial aumenta los comportamientos sociales en ratones. / Cortesía de Yiyuan Yang

Sincronización cerebral

En una serie de experimentos, los investigadores implantaron los dispositivos montados en la espalda de los ratones y luego supervisaron sus movimientos mientras exploraban una jaula rectangular. Los dispositivos inalámbricos no redujeron la actividad ni la velocidad de los animales en comparación con los ratones que no tenían ningún dispositivo, mientras que los ratones con un dispositivo optogenético alimentado por cable eran más lentos y se movían menos.

Los dispositivos siguieron funcionando en los ratones durante más de nueve semanas sin dañar el tejido cerebral, según el estudio. Y otros implantes similares del equipo han permanecido funcionales durante incluso más tiempo, sin causar ningún daño apreciable, afirma Rogers. "Hemos tenido animales que han tenido estos dispositivos básicamente toda su vida, durante dos años o más, hasta que han muerto por causas naturales".

A continuación, el equipo probó los dispositivos en ratones diseñados para expresar una proteína opsina en las neuronas dopaminérgicas del área tegmental ventral, una región del cerebro implicada en el procesamiento de la recompensa y los comportamientos sociales. Colocaron un ratón con el dispositivo optogenético en una jaula con un juguete y otro ratón del mismo sexo. La estimulación de las neuronas dopaminérgicas casi duplicó la cantidad de tiempo que los ratones pasaban interactuando con el otro animal, pero no modificó la cantidad que pasaban cerca del juguete, lo que sugiere que el dispositivo había conseguido apuntar al circuito de recompensa social.

La actividad cerebral se sincroniza entre las personas durante las interacciones sociales, según investigaciones anteriores. Esta sincronía intercerebral puede aumentar el vínculo social y puede estar alterada en las personas con autismo, aunque las investigaciones que exploran esta cuestión han arrojado resultados contradictorios.

El equipo de Rogers evaluó si la estimulación sincronizada del córtex prefrontal medial, una región del cerebro implicada en el comportamiento social y la cognición, aumentaría el vínculo social de los ratones. Diseñaron tres ratones para que expresaran la proteína opsina dentro de las neuronas piramidales del córtex prefrontal medial, y luego implantaron un dispositivo optogenético en cada animal.

Estimularon a dos de los animales con la misma frecuencia y dieron al tercero un ritmo único. Los ratones "emparejados" mostraron comportamientos más sociales -se acercaban y olfateaban a su compañero-, mientras que el tercer animal mostraba comportamientos típicos, no sociales.

Los dispositivos pueden utilizarse para realizar estudios de comportamiento aún más amplios y basados en la población de cientos de animales a la vez durante largos periodos de tiempo, afirma Rogers. Y podrían ayudar a conocer los mecanismos que subyacen a los comportamientos sociales atípicos, dicen Rogers y sus colegas.

https://www.spectrumnews.org/news/toolbox/wireless-optogenetic-devices-sync-neurons-among-mice/