El ultrasonido ofrece una nueva forma de realizar estimulación cerebral profunda

La estimulación cerebral profunda, mediante electrodos implantados que envían impulsos eléctricos al cerebro, se utiliza a menudo para tratar la enfermedad de Parkinson y otros trastornos neurológicos. Sin embargo, los electrodos utilizados para este tratamiento pueden eventualmente corroerse y acumular tejido cicatricial, lo que obliga a retirarlos.

Los investigadores del MIT han desarrollado ahora un enfoque alternativo que utiliza ultrasonido en lugar de electricidad para realizar una estimulación cerebral profunda, administrada por una fibra del grosor de un cabello humano. En un estudio con ratones, demostraron que esta estimulación puede hacer que las neuronas liberen dopamina, en una parte del cerebro a la que a menudo se dirigen los pacientes con enfermedad de Parkinson.

«Mediante el uso de la ultrasonografía, podemos crear una nueva forma de estimular las neuronas para que se activen en las profundidades del cerebro», dice Canan Dagdeviren, profesor asociado en el MIT Media Lab y autor principal del nuevo estudio. «Este dispositivo es más delgado que una fibra capilar, por lo que el daño tisular será insignificante y es fácil para nosotros navegar con este dispositivo en las profundidades del cerebro».

Además de ofrecer una forma potencialmente más segura de administrar estimulación cerebral profunda, este enfoque también podría convertirse en una herramienta valiosa para los investigadores que buscan aprender más sobre cómo funciona el cerebro.

El estudiante graduado del MIT Jason Hou y el doctor postdoctorado del MIT Osman Goni Nayeem son los autores principales del artículo, junto con colaboradores del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro del MIT, la Universidad de Boston y Caltech. El estudio se publica hoy, 4 de junio, en Comunicaciones de la naturaleza.

En lo profundo del cerebro

El laboratorio de Dagdeviren ha desarrollado previamente dispositivos de ultrasonido portátiles que pueden usarse para administrar medicamentos a través de la piel o realizar diagnósticos por imágenes en varios órganos. Sin embargo, la ecografía no puede penetrar profundamente en el cerebro desde un dispositivo colocado en la cabeza o el cráneo.

«Si queremos llegar al cerebro profundo, entonces ya no puede ser simplemente portátil o acoplable. Tiene que ser implantable», dice Dagdeviren. «Personalizamos cuidadosamente el dispositivo para que sea mínimamente invasivo y evite los vasos sanguíneos importantes en las profundidades del cerebro».

La estimulación cerebral profunda con impulsos eléctricos está aprobada por la FDA para tratar los síntomas de la enfermedad de Parkinson. Este enfoque utiliza electrodos de un milímetro de espesor para activar las células productoras de dopamina en una región del cerebro llamada sustancia negra. Sin embargo, una vez implantados en el cerebro, los dispositivos eventualmente comienzan a corroerse y el tejido cicatricial que se acumula alrededor del implante puede interferir con los impulsos eléctricos.

El equipo del MIT se propuso ver si podían superar algunos de esos inconvenientes reemplazando la estimulación eléctrica por ultrasonido. La mayoría de las neuronas tienen canales iónicos que responden a la estimulación mecánica, como las vibraciones de las ondas sonoras, por lo que se puede utilizar el ultrasonido para provocar actividad en esas células.

Sin embargo, las tecnologías existentes para enviar ultrasonido al cerebro a través del cráneo no pueden llegar profundamente al cerebro con alta precisión porque el propio cráneo puede interferir con las ondas de ultrasonido y causar estimulación fuera del objetivo.

«Para modular con precisión las neuronas, debemos profundizar más, lo que nos llevó a diseñar un nuevo tipo de implante basado en ultrasonido que produce campos de ultrasonido localizados», dice Nayeem.

Para llegar de forma segura a esas regiones profundas del cerebro, los investigadores diseñaron una fibra fina como un cabello hecha de un polímero flexible. La punta de la fibra contiene un transductor de ultrasonido en forma de tambor con una membrana vibratoria. Cuando esta membrana, que encapsula una fina película piezoeléctrica, es impulsada por un pequeño voltaje eléctrico, genera ondas ultrasónicas que pueden ser detectadas por las células cercanas.

«Es seguro para los tejidos, no hay superficie de electrodo expuesta y tiene muy baja potencia, lo que es un buen augurio para su traslado al uso del paciente», dice Hou.

En pruebas con ratones, los investigadores demostraron que este dispositivo de ultrasonido, al que llaman ImPULS (estimulador ultrasónico piezoeléctrico implantable), puede provocar actividad en las neuronas del hipocampo. Luego, implantaron las fibras en la sustancia negra productora de dopamina y demostraron que podían estimular las neuronas en el cuerpo estriado dorsal para producir dopamina.

«La estimulación cerebral ha sido uno de los métodos más efectivos, aunque menos comprendidos, utilizados para restaurar la salud del cerebro. ImPULS nos brinda la capacidad de estimular las células cerebrales con una resolución espacio-temporal exquisita y de una manera que no produce el tipo de daño o inflamación como otros métodos.

«Ver su efectividad en áreas como el hipocampo nos abrió una forma completamente nueva de administrar estimulación precisa a circuitos específicos en el cerebro», dice Steve Ramírez, profesor asistente de ciencias psicológicas y cerebrales en la Universidad de Boston y miembro de la facultad de BU. «s Center for Systems Neuroscience, quien también es autor del estudio.

Un dispositivo personalizable

Todos los componentes del dispositivo son biocompatibles, incluida la capa piezoeléctrica, que está hecha de una nueva cerámica llamada niobato de sodio y potasio o KNN. La versión actual del implante funciona con una fuente de energía externa, pero los investigadores prevén que las versiones futuras podrían funcionar con una pequeña batería implantable y una unidad electrónica.

Los investigadores desarrollaron un proceso de microfabricación que les permite alterar fácilmente la longitud y el grosor de la fibra, así como la frecuencia de las ondas sonoras producidas por el transductor piezoeléctrico. Esto podría permitir que los dispositivos se personalicen para diferentes regiones del cerebro.

«No podemos decir que el dispositivo tendrá el mismo efecto en todas las regiones del cerebro, pero podemos decir fácilmente y con mucha confianza que la tecnología es escalable, y no sólo para ratones. También podemos hacerlo más grande para su eventual uso en humanos. «, dice Dagdeviren.

Los investigadores ahora planean investigar cómo la estimulación ultrasónica podría afectar diferentes regiones del cerebro y si los dispositivos pueden seguir funcionando cuando se implantan durante períodos de tiempo de un año. También están interesados ​​en la posibilidad de incorporar un canal de microfluidos, que podría permitir que el dispositivo administre fármacos además de ultrasonidos.

Además de ser prometedor como posible tratamiento para el Parkinson u otras enfermedades, este tipo de dispositivo de ultrasonido también podría ser una herramienta valiosa para ayudar a los investigadores a aprender más sobre el cerebro, afirman los investigadores.

«Nuestro objetivo es proporcionar esto como una herramienta de investigación para la comunidad de neurociencias, porque creemos que no tenemos suficientes herramientas efectivas para comprender el cerebro», dice Dagdeviren. «Como ingenieros de dispositivos, intentamos proporcionar nuevas herramientas para que podamos aprender más sobre diferentes regiones del cerebro».

Esta historia se republica por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.