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Investigation of local and global cortical circuits with advanced neural probes for high-resolution electrophysiological monitoring and optogenetic stimulation

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Datos mecanísticos sobre la actividad cognitiva de los mamíferos

Para sobrevivir y reproducirse, los organismos vivos deben percibir su entorno y responder a los estímulos de forma adecuada. Esta actividad cognitiva se lleva a cabo en la región más externa del cerebro, es decir, la corteza cerebral.

Investigación fundamental icon Investigación fundamental

La corteza cerebral es la región más amplia y compleja de este órgano. Constituye una extensa superficie de sustancia gris plegada entre sí y formada por somas neuronales organizados en una red de circuitos compleja. La organización anatómica de las zonas corticales se corresponde con sus actividades sensorial, motora y asociativa. La comunicación con otras estructuras del cerebro como el tálamo y los núcleos basales garantiza la recepción y la transmisión de información. Las neuronas corticales no trabajan solas, forman parte de varios complejos interconectados cuya actividad está controlada solo parcialmente por los estímulos sensoriales. El estudio de la organización de su actividad requiere el registro simultáneo de numerosas neuronas. En la actualidad, aún se desconoce la naturaleza precisa de las interconexiones neuronales presentes en la corteza cerebral. Hoy en día, se emplean avances tecnológicos recientes para investigar el cómputo cortical como por ejemplo la electrofisiología, en la que se registran grupos de neuronas mediante electrodos, y la optogenética. Este último método controla la actividad neuronal mediante la luz en un contexto experimental en el que las neuronas se modifican genéticamente para expresar canales iónicos sensibles a la luz. El problema reside en que las herramientas optogenéticas no son selectivas del tipo y la capa celular y que las técnicas electrofisiológicas aún no presentan el rendimiento necesario para caracterizar adecuadamente el microcircuito cortical. Herramientas avanzadas para entender la actividad cerebral El objetivo del proyecto NeuroSeeker, financiado con fondos europeos, fue obtener una imagen funcional más exacta de los circuitos cerebrales. En este estudio se investigó la estructura y la función de la corteza cerebral a fin de obtener datos sobre las distintas regiones corticales y las normas básicas que rigen las interacciones entre ellas. Se procedió a describir las interacciones de los microcircuitos corticales con el estado global del cerebro mediante la combinación de los datos registrados con las imágenes cerebrales a gran escala obtenidas por electrocorticografía o electroencefalografía (EEG). Para alcanzar este objetivo, se generaron sondas de silicona de densidad ultraelevada con una cantidad sin precedentes de unos 1 400 canales para el registro electrofisiológico. También se crearon sondas de polímeros para el estéreo-EEG parecidas a las empleadas en el diagnóstico de la epilepsia. Las sondas diseñadas en NeuroSeeker se utilizaron como dispositivos de registro avanzados con una densidad de electrodos diez veces mayor que las más modernas del mercado. Se analizaron estos dispositivos en primates no humanos para demostrar que la duración de los registros era similar a la requerida para las aplicaciones humanas. Además, se diseñaron dispositivos ópticos con diodos emisores de luz (LED) de capa delgada y chips LED tradicionales. En los experimentos con roedores, estos dispositivos produjeron un estímulo óptico controlado en los tejidos corticales. «Se estudiaron mecanismos seleccionados implicados en procesos cognitivos comunes a fin de entender las computaciones fundamentales que subyacen al procesamiento cognitivo», explica el Dr. Ruther. En resumen, se investigó la combinación de señales de prealimentación y retroalimentación que se integran en las capas corticales o que llegan a la misma capa procedente de diferentes zonas corticales. De esta forma fue posible formular una teoría dinámica sobre los microcircuitos y sus interacciones con el resto del cerebro. Descripción de la corteza cerebral Los dispositivos generados en NeuroSeeker, mediante algoritmos y programas específicos, detectaban y clasificaban las formas de potenciales de acción mediante análisis de circuitos eficaces. A diferencia de los sistemas existentes, se logró registrar la actividad neuronal, lo que permitió obtener datos más detallados sobre la actividad cerebral y mejorar el diagnóstico de la epilepsia. Gracias a la investigación de la huella espaciotemporal de cada señal neuronal fue posible clasificar las señales así como caracterizar y localizar las células en las capas corticales. De esta forma, se obtuvo información fundamental sobre la función cortical en diversos contextos, desde la formación de la memoria hasta el procesamiento que tiene lugar durante la toma de decisiones. En la actualidad se sigue trabajando para comercializar las sondas diseñadas en NeuroSeeker a través de la pyme asociada al proyecto. Los investigadores confían en que «las herramientas ópticas creadas en NeuroSeeker serán útiles no solo en la investigación animal, también tendrán una aplicación clínica en el miocardio y la cóclea».

Palabras clave

NeuroSeeker, cerebro, corteza cerebral, neurona, sonda, optogenética, epilepsia, electroencefalografía, electrocorticografía, LED

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