Nanomaterial para crear neuronas y sinapsis

Las computadoras clásicas usan valores binarios (0-1) para funcionar. Por el contrario, las células cerebrales pueden utilizar más valores, lo que las hace mejores energéticamente. Suficiente razón para que los científicos se interesen en la computación neuromórfica (similar al cerebro). En el artículo Anisotropy and Current Control of Magnetization in SrRuO₃ / SrTiO₃  Heterostructures for Spin-Memristors, publicado el 18 de mayo en la revista Frontiers in Nanotechnology, investigadores de la Universidad de Groningen (Países Bajos) han utilizado heteroestructuras de óxidos complejos con anisotropía magnética perpendicular (PMA) (no homogeneidad de las propiedades magnéticas al ser medidas en diferentes direcciones del espacio), que consisten en sustancias tales como el SrRuO3 (SRO) cultivado sobre SrTiO3 (STO) para crear elementos comparables a las neuronas y las sinapsis del cerebro, elementos creados para el manejo de los espines, una propiedad magnética de los electrones al girar. 

          Crédito: Grupo Banerjee. Universidad de Groningen / Nanotechnology News

Para sistemas con PMA la conmutación de la magnetización inducida por corriente se puede realizar con pares de giro en órbita obteniéndose una conmutación probabilística como resultado de la alta simetría. Una ligera inclinación del PMA puede romper esta simetría y permitir la realización de una conmutación determinista. El control sobre la anisotropía magnética de las heteroestructuras proporciona la elección sobre la forma de conmutación. Los investigadores proponen un memristor (resistencia variable con memoria) espintrónico de tres terminales, con un diseño de unión de túnel magnético que provee varios estados resistivos controlados por la carga eléctrica. Los dominios magnéticos se pueden cambiar usando una corriente a través de un electrodo de platino en la parte superior del SRO. Cuando los dominios magnéticos se orientan perfectamente perpendiculares a la película, este cambio es determinista: todo el dominio cambiará. Sin embargo, cuando los dominios magnéticos están ligeramente inclinados, la respuesta es probabilística: no todos los dominios son iguales y,  los valores intermedios ocurren cuando solo una parte de los cristales en el dominio han cambiado. Al elegir variantes del sustrato sobre el que se cultiva el SRO, los científicos pueden controlar su anisotropía magnética. Esto les permite producir dos dispositivos espintrónicos diferentes. La conmutación probabilística se compara con el funcionamiento de las neuronas, mientras que la conmutación determinista se parece más a una sinapsis. Se espera que en el futuro se pueda crear hardware de computadora similar al cerebro combinando estos diferentes dominios en un dispositivo espintrónico que se pueda conectar a los circuitos estándar basados ​​en silicio.  Tal vez se haya encontrado una manera de controlar los estados intermedios, no solo para la memoria sino también para la computación.

Lectura complementaria: Anisotropy and Current Control of Magnetization in SrRuO3 / SrTiO3 Heterostructures for Spin-Memristors

Control remoto para neuronas.

Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad Carnegie Mellon acaba de publicar el artículo Remote nongenetic optical modulation of neuronal activity using fuzzy graphene (PNAS-Proceedings of the National Academy of Sciences, 23/05/20) en el cual se presenta una nueva tecnología tendiente a  mejorar la capacidad de los científicos para comunicarse, utilizando la luz,  con las células neurales. El grafeno es un nanomaterial (nanoplaca) abundante, barato y biocompatible.  Mediante técnicas especialmente desarrolladas lo han sintetizado en topologías tridimensionales denominadas de grafeno "difuso".    

Interfase NT-3DFG con neuronas DGR. Crédito: Tzahi Cohen-Karni y col. Universidad Carnegie Mellon

Al cultivar estos copos de grafeno bidimensionales (2-D) con nanocables de silicio, crearon una estructura tridimensional (NT-3DFG) con absorción óptica de banda ancha y una eficiencia fototérmica sin igual. Estas propiedades lo hacen ideal para la modulación electrofisiológica celular utilizando la estimulación fototérmica remota no genética con energías láser muy bajas sin generar estrés celular. El nanomaterial puede prepararse con fácilidad en suspensión, aislándose NT-3DFG individual para lograr interfaces  subcelulares con neuronas, haciendo posible el estudio de la señalización dentro y entre los sistemas de células 2-D y 3-D tales como los organoides presentes en las células humanas. La absorción de banda ancha de estos nanomateriales tridimensionales permite utilizar luz de longitudes de onda que pueden penetrar profundamente en el tejido para excitar de forma remota las células nerviosas. El método se puede utilizar en toda una gama de aplicaciones, desde el diseño de terapias no invasivas hasta estudios científicos básicos. Los hallazgos del equipo son significativos tanto para nuestra comprensión de las interacciones celulares como para el desarrollo de terapias que aprovechen el potencial de las propias células del cuerpo. Las nanoestructuras creadas con NT-3DFG pueden tener un gran impacto en el futuro de la biología y la medicina humana.

Lectura complementaria:

Remote nongenetic optical modulation of neuronal activity using fuzzy graphene

Sinapsis de nanorods-PLH nos acercan al cerebro real.

El cerebro humano, alimentado solo con el aporte calórico de una dieta modesta, supera fácilmente a las supercomputadoras de última generación alimentadas por entradas de energía. La diferencia radica en los múltiples estados de los procesos cerebrales frente a los dos estados binarios de los procesadores digitales, así como en la capacidad de almacenar información sin consumo de energía: memoria no volátil. Estas ineficiencias en las computadoras convencionales de hoy en día han despertado un gran interés en desarrollar sinapsis sintéticas para usar en computadoras que puedan imitar la forma en que funciona el cerebro. En el artículo Optoelectronic Synapses Based on Hot-Electron-Induced Chemical Processes, publicado el 3 de febrero del año 2020 en ACS Nano Letters, investigadores del King's College de Londres presentan una serie de dispositivos de nanorods (nanohilos o nanoalambres)  que imitan mejor al cerebro para ser aplicados en redes neuronales artificiales.

Crédito: Anatoly V. Zayats y col. ACS Nano Letters.

Ellos construyen una serie de nanorods de oro rematados con una unión de polímero PLH (poli-L-histidina). La luz o un voltaje eléctrico pueden excitar los plasmones (oscila- ciones colectivas de elec- trones) liberando electrones calientes en el PLH capaces de cambiar gradualmente la química del polímero y, por lo tanto, posibilitando diferentes niveles de conductividad o emisividad de la luz. La forma en que cambia el polímero depende de si el oxígeno o el hidrógeno lo rodean. Un entorno químico de nitrógeno químicamente inerte preservará el estado sin que se requiera ningún aporte de energía para que actúe como memoria no volátil. La unión puede configurarse y leerse de forma óptica,  eléctrica o establecerse de una manera y leer la otra permitiendo una gran versatilidad. Una ventaja importante del control óptico es que puede cambiar y leer el dispositivo de forma inalámbrica. La densidad de las matrices sinápticas de nanorods se acerca de manera impresionante a la densidad sináptica del cerebro, quedando solo mejorar en un factor de aproximadamente de mil. Un nuevo avance posibilitado por las tecnologías convergentes, NBIC (Nano-Bio-Info y Cogno), las tecnologías del siglo XXI.

Información complementaria:

Optoelectronic Synapses Based on Hot-Electron-Induced Chemical Processes

Nanotubos de carbono facilitan la regeneración neuronal

Los nanotubos de carbono presentan características interesantes para la construcción de dispositivos híbridos (contenido biológico + material sintético)  especiales destinados a restablecer las conexiones entre las células nerviosas. En el reciente  artículo “Sculpting neurotransmission during synaptic development by 2D nanostructured interfaces [1]" publicado en la revista científica Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, un equipo multidisciplinario integrado por científicos de la International School for Advanced Studies (SISSA), Life Science Department - University of Trieste, ELETTRA Synchrotron Light Source y dos instituciones españolas, la Fundación Vasca para la Ciencia y el CIC BiomaGUNE, han evaluado los posibles efectos sobre las neuronas cuando interactúan con los nanotubos de carbono. Demostraron que los nanotubos de carbono pueden regular la formación de sinapsis, estructuras especializadas a través de las cuales las células nerviosas se comunican y modulan mecanismos biológicos como su crecimiento y autoregulación. El resultado, permite determinar hasta qué punto la integración entre las células nerviosas y estas estructuras sintéticas es estable y eficiente, Destaca las grandes potencialidades de los nanotubos de carbono como materiales innovadores capaces de facilitar la regeneración neuronal o para crear una especie de puente artificial entre grupos de neuronas cuya conexión se ha interrumpido. En la actualidad ya han comenzado con las pruebas in vivo. Otra interesante aplicación de la nanomedicina.

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[1] Sculpting neurotransmission during synaptic development by 2D nanostructured interfaces

Nanocables registran la nanoactividad de las neuronas.

Investigadores, de la Universidad de California de San Diego y de Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, desarrollaron nanocables que pueden registrar la actividad eléctrica de las neuronas en sus mínimos detalles.  La nueva tecnología de nanocables podría ayudar a los investigadores a entender mejor cómo las células se comunican solo en grandes redes neuronales y servir como una plataforma de selección de medicamentos para enfermedades neurológicas. El dispositivo consta de una matriz de nanocables de silicio densamente empaquetadas en un pequeño chip con dibujos de electrodos conductores de níquel. Los nanocables asoman dentro de las células sin dañarlas y son lo suficientemente sensibles para medir pequeños cambios de potenciales de unos pocos milivoltios de magnitud. Los científicos utilizaron los nanocables para registrar la actividad eléctrica de las neuronas que fueron aisladas de ratones y producidas a partir de células madre humanas. Estas neuronas, in vitro,  en una interfase con la matriz de nanocables  sobrevivieron y funcionaron en forma continua durante las seis semanas de experimentación. La tecnología, permite descubrir los detalles acerca de la salud, la actividad de la neurona y la respuesta a los fármacos, mediante la medición de las corrientes del canal de iones y los cambios en su potencial intracelular, debido a la diferencia en la concentración de iones entre el interior y el exterior de la célula. La medición es sensible a pequeños cambios potenciales y proporciona lecturas con altas relaciones de señal a ruido. Otra característica innovadora de esta tecnología es que se puede aislar la señal eléctrica medida por cada nanocable individual. Algo inusual en las tecnologías existentes, en las cuales los cables están cortocircuitados eléctricamente entre sí y no se puede diferenciar la señal de cada uno. El chip de nanocables podría, entre otras cosas, ser utilizado en los modelos cerebrales derivados de células madre para la identificación de los fármacos más eficaces en el tratamiento de las enfermedades neurológicas.

Lectura complementaria:

High Density Individually Addressable Nanowire Arrays Record Intracellular Activity from Primary Rodent and Human Stem Cell Derived Neurons.

Nanotecnología para comprender la mente.

Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies es un ambicioso proyecto científico de los EEUU apoyado por el presidente Obama inicialmente con 100 millones de dólares para el año 2014.  El objetivo del proyecto consiste en desentrañar  el comportamiento neuronal del cerebro  vinculado con las emociones, los recuerdos, las acciones y la conciencia. Para entender estos fenómenos complejos la nanotecnología jugará un papel crucial  "El cerebro siempre ha sido nano", dice Paul Weiss, científico en la Universidad de California, Los Angeles, uno de los impulsores originales del proyecto. Los 89.000 millones de neuronas que aloja nuestro cráneo y los 100 billones de conexiones que las unen hacen que las mediciones a tamaño nanométrico sean absolutamente imprescindibles aunque muchas de las herramientas nano necesarias para investigar el cerebro aun estén en vía de desarrollo. Las mediciones actuales basadas en sensores micro sólo dan valores promedio. La Nanotecnologia permitiría, entre otra cosas, reemplazar las matrices con los 64 electrodos de la tecnología actual por  matrices de 100.000 o más nanoelectrodos estratégicamente ubicados para captar las señales de las neuronas individuales y además, debido a  alteraciones en la superficie de los nanoelectrodos, recoger información sobre  los cambios químicos en el cerebro vinculados a los 100 neurotransmisores (pequeñas moléculas que llevan señales entre las neuronas) conocidos. Algunos científicos del proyecto  quieren ir más allá de la lectura de lo que ocurre en el cerebro durante ciertas actividades,  pretenden avanzar hasta el punto en el que sea posible estimular el cerebro y luego leer su respuesta. Rafael Yuste, neurocientífico de la Universidad de Columbia, Nueva York, dice  "... claro es que la nanotecnología será la única manera de obtener una imagen nítida de cómo funciona el cerebro. Con ese conocimiento, nuevas terapias y medicamentos serán más fáciles de desarrollar y el cerebro humano podría empezar a ser mucho menos  enigmático”. La confluencia de la neurociencia con la nanotecnologia, inmersa en el avance de las tecnologías convergentes (NBIC: nano, bio, info y cogno), nos dará las herramientas para entender la mente humana e iniciar un nuevo camino con las otras (info y bio) tendiente a  procesar la información y reproducir-generar  circuitos neuronales “in vitro e in vivo”...; todo un desafío para nuestra imaginación.

Lectura complementaria.

Mapping the mind with nanotechnology.

El metiloma cerebral.

En el artículo “Global Epigenomic Reconfiguration During Mammalian Brain Development”, publicado en la revista Science el 4 de julio del 2013 por un equipo de investigadores de España y los EEUU, se muestran estudios realizados a partir de una decena de cerebros de personas muertas para comprender los mecanismos del aprendizaje, las enfermedades psiquiátricas, el caos emocional del cerebro adolescente y  estudiar posibles relaciones con trastornos como la depresión, el consumo de drogas y las tendencias suicidas. El equipo constituido por 22 científicos estableció experimentalmente  los cambios producidos cuando un grupo químico  conocido como metilo, se adhiere a la citosina, una de las cuatro sustancias químicas (A, C, G y T) constituyentes del ADN. Ellos observaron que el ADN de las neuronas se va llenando de metilos (cambios epigenéticos) desde el nacimiento de un bebé hasta el final de su adolescencia, justo en la etapa con mayor capacidad de aprendizaje. La metilación del ADN está implicada en el desarrollo del cerebro de mamíferos y en la  plasticidad subyacente al aprendizaje y la memoria. Durante el desarrollo, de fetal a adulto joven se produce una reconfiguración generalizada del genoma neuronal del cerebro debido a la metilación obteniéndose un muevo mapa genético: el metiloma cerebral (mapa de metilación del ADN de las neuronas del cerebro).

La metilación del ADN alcanza a su pico alrededor de los 16 años. Las enfermedades llegarían cuando se interrumpe o disminuye este proceso normal de metilación del ADN, ya sea por factores genéticos o ambientales, como el estrés y el consumo de drogas en edades tempranas.Para los autores del estudio, la multiplicación de estas metilaciones en el ADN de las neuronas cuando el cerebro se desarrolla a toda velocidad desempeña un papel importante en la transformación del cerebro ante el aprendizaje y las experiencias vividas en la niñez y la adolescencia. Una nueva dimensión, un nuevo aporte a la cognociencia.
Lectura complementaria:
Global Epigenomic Reconfiguration During Mammalian Brain Development.

Trasplante de células madre “neuronales” repara la actividad cerebral.

Un equipo de investigación del Center for Neuroscience, Aging, and Stem Cell Research de la Stanford University dirigido por el Dr. Stuart A. Lipton, publicó el 7 de noviembre del 2012 en la revista científica  Journal of Neuroscience,  el trabajo de investigación  “High-Frequency Hippocampal Oscillations Activated by Optogenetic Stimulation of Transplanted Human ESC-Derived Neurons”.

Los investigadores trasplantaron células madre embrionarias programadas para convertirse en neuronas en el hipocampo de roedores. Luego activaron específicamente a las neuronas producto del trasplante con estimulación optogenética, una técnica relativamente nueva que combina la luz y la genética para controlar con precisión el comportamiento celular en los tejidos vivos o animales. Para establecer si las neuronas transplantadas estaban trabajando, el Dr. S. A. Lipton y su equipo midieron oscilaciones de alta frecuencia en las neuronas existentes a cierta distancia de las trasplantadas. Descubrieron que las neuronas trasplantadas incitaban a las neuronas existentes para disparar oscilaciones de alta frecuencia. En resumen, las neuronas trasplantadas humanas, no sólo producían  impulsos eléctricos, también “despertaron” a las  vecinas de la red neuronal. La perspectiva terapéutica para esta tecnología parece prometedora. Sobre la  base de los resultados obtenidos se podría restaurar la actividad cerebral y la función cognitiva, mediante manipulación optogenética de las células neuronales derivadas del transplante de las células madre embrionarias.

Dice el Dr. Stuart A. Lipton  "Hemos demostrado por primera vez que las células madre embrionarias programadas para convertirse en neuronas pueden integrarse en los circuitos cerebrales existentes y generar  patrones de la actividad eléctrica crítica para actividad de la red neuronal". 
Una esperanza biotecnológica para reemplazar las células cerebrales que mueren en la enfermedad de Alzheimer y en otras enfermedades neurodegenerativas