Los investigadores desarrollan un método de estimulación cerebral profunda no invasivo | Ciencias

Desde 1997, más de 100.000 pacientes con enfermedad de Parkinson han sido tratados con estimulación cerebral profunda (DBS), una técnica quirúrgica que implica la implantación de electrodos de alambre ultrafinos. El dispositivo implantado, a veces denominado « marcapasos cerebral », envía pulsos eléctricos a una estructura llamada núcleo subtalámico, ubicada cerca del centro del cerebro, y alivia eficazmente muchos de los síntomas físicos de la enfermedad, como temblores, músculos rigidez y movimientos lentos.

La estimulación cerebral profunda es generalmente segura pero, como cualquier procedimiento quirúrgico, conlleva algunos riesgos. En primer lugar, es muy invasivo y requiere la perforación de pequeños orificios en el cráneo del paciente, a través de los cuales se insertan los electrodos. Las posibles complicaciones de esto incluyen infección, accidente cerebrovascular y sangrado en el cerebro. Los electrodos, que se implantan durante largos períodos de tiempo, a veces se mueven fuera de lugar; también pueden causar hinchazón en el sitio de implantación; y el cable que los conecta a la batería, que normalmente se coloca debajo de la piel del pecho, puede erosionarse, todo lo cual requiere procedimientos quirúrgicos adicionales.

Ahora, los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts han desarrollado un nuevo método que puede estimular las células del interior del cerebro de forma no invasiva, utilizando múltiples campos eléctricos aplicados desde fuera del órgano. En un estudio publicado hoy en la revista Celda, muestran que el método puede estimular selectivamente estructuras cerebrales profundas en ratones vivos, sin afectar la actividad de las células en las regiones suprayacentes, y también que se puede ajustar fácilmente para evocar movimientos mediante la estimulación de la corteza motora.

El nuevo método, llamado interferencia temporal, aprovecha el hecho de que las neuronas no responden a campos eléctricos con frecuencias de alrededor de 1000 Hertz (Hz, o ciclos por segundo) o más. Por tanto, los campos eléctricos de alta frecuencia aplicados al cerebro lo atraviesan sin afectar la actividad neuronal. Sin embargo, si se aplican dos campos al cerebro, a altas frecuencias que difieren en pequeñas cantidades correspondientes a las frecuencias a las que las neuronas pueden responder, interfieren entre sí para producir un campo eléctrico de ‘envoltura’ que excita a las células dentro de él.

Por ejemplo, la aplicación de dos campos opuestos, con frecuencias de 2000 y 2010Hz, produce un campo envolvente con una frecuencia de 10Hz donde los dos campos de alta frecuencia se cruzan. Esto se encuentra dentro del rango de frecuencia al que responden las neuronas y, por lo tanto, estimula a las neuronas que se encuentran debajo de la envoltura para disparar. Por lo tanto, Nir Grossman y sus colegas del Grupo de Neurobiología Sintética del MIT razonaron que podría ser posible generar envolturas de campo eléctrico de baja frecuencia en el interior del cerebro, lo que estimularía las células nerviosas en las envolturas sin estimular las de arriba, que están expuestas a cualquiera de las dos. de los campos de alta frecuencia utilizados para generar la envolvente, pero no ambos.

Los investigadores utilizaron modelos informáticos para simular los efectos de su técnica y luego la probaron en ratones anestesiados, apuntando sus electrodos al hipocampo, una región que se encuentra profundamente dentro de los lóbulos temporales, que es fundamental para el aprendizaje y la memoria. Utilizaron un parche automático para mostrar que la estimulación activa las células en la envoltura, luego diseccionaron los cerebros de los animales y usaron anticuerpos marcados con fluorescencia para visualizar la actividad de c-Fos, un gen llamado ‘inmediato temprano’ que se enciende rápidamente cuando las neuronas se activan. Esto reveló c-Fos expresión en la región del hipocampo a la que apuntan los electrodos, pero no en otras regiones del hipocampo, o en regiones suprayacentes de la corteza cerebral, lo que confirma que el método activa específicamente las neuronas en la envolvente del campo eléctrico de baja frecuencia generada en la intersección de los dos altos campos de frecuencia (vea la imagen de arriba).

Para evaluar la seguridad de la técnica, Grossman y sus colegas estimularon el hipocampo en ratones despiertos y luego tiñeron el cerebro de los animales con anticuerpos que se unen a proteínas que son sintetizadas por células moribundas. También utilizaron sondas de termómetro colocadas inmediatamente debajo de los electrodos para medir la temperatura del cerebro durante el procedimiento. Esto reveló que el método no alteró la densidad de neuronas, o el número de células moribundas, y que los campos eléctricos de alta frecuencia no aumentaron la temperatura del tejido cerebral más allá del rango normal. Ninguno de los ratones experimentó convulsiones, otra complicación de la DBS invasiva, durante o después de la aplicación de los campos eléctricos en sus cerebros.

Finalmente, los investigadores hicieron pequeños ajustes a sus electrodos estimulantes y los dirigieron hacia la corteza primaria, que controla el movimiento voluntario. La estimulación de la región de la corteza motora izquierda asociada con los movimientos de las patas delanteras produjo movimientos de las patas derechas de los animales, mientras que la estimulación de otras regiones de la corteza motora provocó que las orejas y los bigotes específicos del lado opuesto del cuerpo de los animales se contrajeran.

La nueva técnica tiene ventajas obvias sobre la estimulación cerebral profunda. También tiene ventajas sobre los métodos de estimulación cerebral no invasivos existentes, como la estimulación magnética transcraneal (TMS) y la estimulación transcraneal de corriente continua (tDCS). «Con TMS y tDCS puede activar regiones profundas, pero también puede activar las superpuestas, y eso podría causar efectos secundarios no deseados», dice el autor principal Ed Boyden. «Los objetivos para trastornos como la depresión, el Alzheimer, el trastorno de estrés postraumático, etc., se encuentran en lo más profundo del cerebro y podrían ser estimulables de manera más selectiva con nuestro método».

Boyden agrega que el método ya se está probando en humanos. «Ya hemos comenzado algunos ensayos de estimulación humana con voluntarios sanos normales, aunque es muy temprano y muy exploratorio», dice, «y ahora nos estamos comunicando con expertos en epilepsia, tinnitus, depresión y otros trastornos para ver si podemos ayudar.»