Vea También
 |
| Las escamas de MXene permiten una fotoestimulación eficaz. Crédito: Facultad de Ingeniería de la CMU |
La capacidad de dirigir y estimular las neuronas aporta una serie de ventajas, entre ellas una mejor comprensión de la función cerebral y el tratamiento de las enfermedades neurológicas. En la actualidad, las matrices de microelectrodos (MEA) más modernas pueden estimular las neuronas con gran precisión, pero carecen de especificidad por tipo de célula y requieren una implantación invasiva que puede provocar daños en los tejidos; pensemos en los estimuladores utilizados para ayudar a los pacientes con temblores. Tzahi Cohen-Karni, catedrático de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Biomédica, y su equipo han estado explorando nuevos materiales que permitan la fotoestimulación a distancia, es decir, el uso de la luz para estimular las células.
Las células pueden "hablar" entre sí enviando y recibiendo señales eléctricas. Dentro de la membrana de una célula, una neurona de nuestro cerebro por ejemplo, hay pequeños poros llamados canales iónicos que permiten que los iones entren y salgan de la célula. En condiciones normales, los flujos de iones a través de la membrana dictan si una célula enviará una señal eléctrica a sus vecinas. En los últimos años, los investigadores han demostrado que es posible utilizar pulsos de luz para alterar las propiedades de la membrana celular y provocar una señal eléctrica que pueda controlar la comunicación celular. El equipo de Cohen-Karni pretende identificar materiales eficaces para controlar las actividades de las células sin causarles molestias. Reconocieron que el grafeno multidimensional (grafeno difuso) se presentaba como un gran candidato para la estimulación celular, pero descubrieron que algunos materiales eran difíciles de producir y no podían absorber suficiente luz para transferirla eficazmente al calor.
En su investigación actual, publicada por la American Chemical Society, Cohen-Karni se centró en las escamas de carburos/nitruros de metales de transición (MXenes), un nanomaterial bidimensional (2D) único descubierto por el equipo del Dr. Yury Gogotsi en la Universidad de Drexel. Se ha demostrado que los MXenos presentan unas propiedades mecánicas extraordinarias, una alta conductividad eléctrica y excelentes propiedades electroquímicas y, lo que es más importante, son fáciles y baratos de producir.
En lugar de estudiar el material por sus propiedades a gran escala, el equipo de Cohen-Karni midió las propiedades fototérmicas del material a nivel de escamas individuales. El equipo dispersó las escamas en la superficie de los ganglios de la raíz dorsal (DRG), células del sistema nervioso periférico, y las iluminó con pulsos cortos de luz. Al estudiar la interfaz entre las células y los materiales, quedó claro que los copos no serían absorbidos por las células y Cohen-Karni pudo medir con precisión la cantidad de luz necesaria para crear un cambio celular.
"Lo que es realmente único de los materiales que utilizamos en mi laboratorio es que no necesitamos utilizar pulsos de alta energía para conseguir una estimulación eficaz", explicó Cohen-Karni. "Al hacer brillar pulsos cortos de luz sobre la interfaz DRG-MXene, descubrimos que la electrofisiología de la célula se alteraba con éxito".
¿Qué significa esto para el futuro de la neurología? Con una mayor comprensión de cómo lograr la estimulación neuronal y la facilidad de producción de MXenos, los investigadores pueden practicar con mayor eficacia la fotoestimulación a distancia. Por ejemplo, los investigadores podrían incrustar los MXenos en un tejido artificial diseñado en forma de cerebro y, a continuación, utilizar la luz para controlar la actividad neuronal y seguir descubriendo el papel de las neuronas en el desarrollo del cerebro. Con el tiempo, este material podría incluso utilizarse como tratamiento no invasivo para discapacidades de la función neural, como los temblores.
Fuentes, créditos y referencias:
Yingqiao Wang et al, Ti3C2Tx MXene Flakes for Optical Control of Neuronal Electrical Activity, ACS Nano (2021). DOI: 10.1021/acsnano.1c04431