El desarrollo del cerebro temprano es una caja negra biológica. Si bien los científicos han ideado múltiples formas de registrar señales eléctricas en cerebros para adultos, estas técnicas no funcionan para los embriones.
Un equipo de Harvard tiene ahora administrado Para echar un vistazo a la caja, al menos cuando se trata de anfibios y roedores. Desarrollaron una matriz eléctrica utilizando un materials versatile de tofu que se incrusta sin problemas en el cerebro en desarrollo temprano. A medida que el cerebro crece, el implante se extiende y cambia, registrando continuamente las neuronas individuales sin dañar el embrión.
“Actualmente no existe la capacidad de medir la actividad neuronal durante el desarrollo neuronal temprano. Nuestra tecnología realmente permitirá un área desconocida”. dicho Autor del estudio Jia Liu en un comunicado de prensa.
La matriz de malla no solo registra la actividad cerebral, sino que también puede estimular la regeneración nerviosa en los embriones de Axolotl con ZAP eléctricos. Un cute anfibio Conocido por su capacidad para volver a crecer los tejidos, Axolotl Analysis podría inspirar concepts sobre cómo Podríamos curar los nervios dañadoscomo los que están en lesión de la médula espinal.
Los anfibios y los roedores tienen cerebros mucho más pequeños que nosotros. Debido a las obvias preocupaciones éticas, el equipo no probó el dispositivo en embriones humanos. Pero sí lo usaron para capturar la actividad de una sola neurona en los organoides cerebrales. Estas “mini-ceras” se derivan de células humanas e imitan libremente cerebros en desarrollo. Su estudio podría ayudar a reducir los genes u otros cambios moleculares específicos de los trastornos del desarrollo neurológico. “Autismo, trastorno bipolar, esquizofrenia, esto podría suceder en las primeras etapas de desarrollo”. dicho Liu.
Probar el cerebro
La grabación de la charla eléctrica del cerebro en desarrollo permite a los científicos comprender cómo las neuronas se autoensamblan en una poderosa máquina informática capaz de aprender y cognición. Pero capturar estas cortas chispas de actividad en todo el cerebro es difícil.
Las tecnologías actuales se centran principalmente en cerebros maduros. La resonancia magnética funcional, por ejemplo, se usa para escanear todo el cerebro, ya que calcula tareas específicas. Esto no requiere cirugía y puede ayudar a los científicos a unir mapas de actividad en todo el cerebro. Pero el enfoque carece de resolución y es lento.
La imagen molecular es otra forma de registrar la actividad cerebral. Aquí, los animales como el pez cebra están genéticamente diseñados para cultivar neuronas que se iluminan bajo el microscopio cuando se activan. Estos proporcionan información en tiempo actual sobre la actividad de cada neurona particular person. Pero el método solo funciona para animales translúcidos.
Implantes neuronales son el niño más nuevo del bloque. Estas matrices de microelectrodos se implantan directamente en el tejido cerebral y pueden capturar señales eléctricas de grandes poblaciones de neuronas con precisión de milisegundos. Con la ayuda de AI, tales implantes ya han discurso restaurado y movimiento y redes neuronales desenredadas para la memoria y la cognición en las personas.
Tampoco son inadecuados para desarrollar cerebros.
“El cerebro es muy suave, como un pedazo de tofu. Los electrónicos tradicionales son muy rígidos, cuando los pones en el cerebro, cualquier movimiento de la electrónica puede cortar el cerebro a escala micrómetro”, Liu dijo Naturaleza. Con el tiempo, los dispositivos causan cicatrices que degradan las señales.
El problema es agudo durante el desarrollo, ya que el cerebro cambia drásticamente de forma y tamaño. Las sondas rígidas no pueden monitorear continuamente las neuronas individuales a medida que el cerebro crece y podría dañar el órgano naciente.
Abriendo la caja
Es possible que la imagen del cerebro y una estructura en forma de nuez grabada con ranuras sean mente. Pero el órgano comienza la vida como una capa plana de una sola célula en el embrión.
Llamada placa neural, esta capa de células recubre la superficie del embrión antes de eventualmente doblarse en forma de tubo. A medida que las células cerebrales se expanden y migran, generan tejidos que eventualmente se doblan en la estructura 3D closing del cerebro. Esta transición dimensional hace que sea imposible monitorear las neuronas individuales con sondas rígidas. Pero la electrónica elástica puede hacer el trabajo.
En 2015, Liu y sus colegas desarrollado una sonda extremely versatile que podría integrarse en cerebros de roedores adultos y organoides cerebrales humanos. El implante related a la malla tenía una rigidez related al tejido cerebral y cicatrices minimizadas. El equipo usó un materials llamado elastómeros fluorados, que es elástico como la goma pero tiene la dureza del teflón, y es 10,000 veces más suave que los implantes flexibles convencionales hechos de materiales de plástico. Los implantes hechos de la actividad de una sola neurona capturada en ratones durante meses y fueron relativamente fáciles de fabricar.
Debido a la estiramiento de la sonda, el equipo se preguntó si también podría monitorear el desarrollo del cerebro embrionario Mientras se doblaron de 2nd a 3D. Eligieron los renacuajos como un caso de prueba porque los embriones crecen rápidamente y son fáciles de monitorear.
El primer intento falló. “Resulta que los embriones renacuajos son mucho más suaves que el tejido derivado de las células madre humanas”. dicho Liu. “Finalmente tuvimos que cambiar todo, incluido el desarrollo de nuevos materiales electrónicos”.
El equipo se le ocurrió un nuevo materials de malla que se puede incrustar con electrodos y tiene menos de un micrómetro de espesor. Luego fabricaron un dispositivo de “retención” para soportar embriones renacuajos y colocaron suavemente la malla en las placas neuronales de los renacuajos durante la formación del cerebro temprano.
“Necesitas una mano muy estable” para el procedimiento, dicho Liu.
Los cerebros en desarrollo de los renacuajos trataron la malla como otra capa de su propia biología mientras se doblaron en estructuras 3D, esencialmente estirando el dispositivo a través de sus cerebros. El implante capturó de manera confiable la actividad neuronal durante todo el desarrollo en escalas de milisegundos en múltiples regiones cerebrales. Los renacuajos cyborg se convirtieron en ranas sanas, que actuaban normalmente en las pruebas de comportamiento y no mostraron signos de daño cerebral o estrés.
El implante recogió diferentes dinámicas de actividad cerebral a medida que se desarrollaron los renacuajos. Las células cerebrales tempranas sincronizadas en patrones de actividad lenta a medida que la placa neural se doblaba en un tubo. Pero a medida que el cerebro maduró y desarrolló diferentes regiones, cada una de ellas estableció su propia huella digital eléctrica única con actividad neuronal más rápida.
Al observar estas dinámicas, los científicos pueden descifrar potencialmente cómo el cerebro se aloja en una máquina informática tan poderosa y detectar cuándo las cosas salen mal.
Conexiones de reconstrucción
El sistema nervioso humano tiene capacidades regenerativas limitadas. Axolotls, no tanto. Un tipo de salamandra, estas criaturas de aspecto de dibujos animados pueden reconstruir casi cualquier parte de sus cuerpos, incluidos sus nervios. Cómo sucede esto sigue siendo misterioso, pero si podemos descubrir su secreto, podríamos usarlo para desarrollar tratamientos para lesiones de la médula espinal o enfermedades nerviosas.
En una prueba, el equipo implantó la malla de grabación en un renacuajo Axolotl con una cola dañada. La actividad cerebral de la criatura se disparó durante la regeneración. Cuando agregaron ZAP cuidadosamente cronometrados de electrodos externos que imitan los patrones neuronales posteriores a la lesión, la regeneración se aceleró, lo que sugiere que la actividad cerebral podría desempeñar un papel en la regeneración de tejidos (al menos en algunas especies).
“Descubrimos que la actividad cerebral se remonta a su temprano [embryo] Etapa de desarrollo, por lo que esta es una razón única por la cual esta criatura tiene esta capacidad de regeneración “, dicho Liu.
El equipo está dando la tecnología a otros investigadores para investigar los inicios de la vida, especialmente en mamíferos como los roedores. “Las pruebas preliminares confirmaron que las propiedades mecánicas de los dispositivos son compatibles con embriones de ratón y ratas neonatales”, escribieron.
Liu está claro que el método no está listo para la implantación en embriones humanos. Usarlo en ranas, axolotls y organoides cerebrales humanos ya está produciendo información sobre el desarrollo del cerebro. Pero en última instancia, su equipo espera ayudar a las personas con condiciones de desarrollo neurológico.
“Tenemos esta base de productos electrónicos estirables que podrían traducirse directamente al cerebro neonatal o en desarrollo”. dicho Liu.
