Neuropixels Opto: La sonda cerebral que por fin puede grabar y controlar neuronas al mismo tiempo

Durante décadas, los neurocientíficos se enfrentaron a una frustrante disyuntiva: podían registrar la actividad eléctrica de cientos de neuronas a la vez, o bien utilizar luz para controlar células genéticamente modificadas, pero no podían hacer ambas cosas fácilmente en el mismo circuito cerebral profundo al mismo tiempo. Neuropixels Opto, una sonda de nueva generación desarrollada por un equipo global del University College de Londres (UCL) y el Instituto Allen y publicada en Nature Methods, finalmente salva esa brecha .

El resultado es un dispositivo que no solo observa la actividad cerebral, sino que la reescribe activamente mientras escucha las consecuencias en toda la red neuronal.

Más que un electrodo de registro: un instrumento de 'perturbar y grabar'

Cada sonda Neuropixels Opto integra 960 sitios de registro eléctrico y 28 emisores de luz (14 para luz azul, 14 para luz roja) en un único vástago de silicio de 70 µm de ancho y 1 cm de largo, más fino que un cabello humano . La densa cuadrícula de contactos de registro abarca una porción de tejido cerebral mucho mayor que los electrodos tradicionales, mientras que la emisión de luz en dos colores permite a los investigadores activar o silenciar neuronas específicas mediante optogenética en profundidades precisas y localizadas.

El gran avance de ingeniería reside en la forma de administrar la luz. En lugar de incrustar una fuente de luz en el propio chip —lo que calentaría el tejido circundante—, la sonda utiliza una guía de ondas fotónica integrada. Un láser externo introduce luz en la guía, que la conduce por el vástago hasta los 28 puntos de emisión . Este diseño elimina el calor y el ruido eléctrico que frustraron intentos anteriores de combinar electrónica y fotónica en un mismo dispositivo.

Lo que surge es lo que sus creadores denominan una capacidad de "perturbar y grabar": estimular una población neuronal definida genéticamente en una capa cortical y, simultáneamente, registrar los efectos en cadena en cientos de neuronas cercanas e incluso en regiones cerebrales distantes .

El hallazgo sorprendente: la estimulación local tiene consecuencias no locales

Las primeras pruebas sistemáticas en ratones, recogidas en el artículo de Nature Methods, demostraron que la sonda podía activar o silenciar neuronas de forma diferenciada a distintas profundidades corticales . Eso era esperable. Lo que sorprendió a los investigadores fue hasta dónde viajaban esas perturbaciones locales.

En el estriado del ratón y en otras estructuras cerebrales profundas, Neuropixels Opto logró un optoetiquetado eficiente —la identificación de tipos celulares definidos genéticamente a partir de sus respuestas a la luz— . Más importante aún: el registro simultáneo en los 960 sitios reveló que la manipulación de una columna cortical local producía efectos generalizados y no locales sobre neuronas distantes y regiones cerebrales alejadas .

Como las tecnologías anteriores obligaban a los investigadores a estimular con una herramienta y registrar con otra, estos patrones de propagación a nivel de red eran extraordinariamente difíciles de observar. Neuropixels Opto condensa esa separación en un único instrumento, exponiendo la auténtica complejidad de cómo una perturbación local se propaga en cascada por un cerebro vivo.

Cómo podría transformar la investigación de enfermedades

La capacidad de la sonda para alcanzar estructuras cerebrales profundas mientras registra y manipula tipos celulares específicos la convierte en una herramienta poderosa para estudiar trastornos neurológicos y psiquiátricos que son, en esencia, enfermedades de circuitos.

Alzhéimer

El hipocampo y la corteza entorrinal están entre las primeras estructuras afectadas por la patología del alzhéimer. El largo vástago de Neuropixels Opto puede alcanzar estas regiones profundas mientras sus emisores de luz apuntan a poblaciones específicas de interneuronas que se sabe que se ven alteradas por la acumulación de amiloide y tau . Al manipular esas células y registrar la respuesta de la red en tiempo real, los investigadores pueden construir modelos causales de cómo la patología degrada la función de los circuitos, yendo más allá de la simple correlación.

Párkinson

El párkinson se caracteriza por la pérdida de neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra y por patrones de disparo anómalos en el estriado y los ganglios basales. Neuropixels Opto puede insertarse en el estriado y otras estructuras profundas, proporcionando estimulación optogenética espacialmente precisa mientras registra cientos de neuronas que representan distintos tipos celulares y vías de circuito . Esto podría ayudar a desentrañar exactamente qué tipos celulares provocan los síntomas motores y cómo interactúan cuando falla la señalización de dopamina.

Esquizofrenia

Una de las principales hipótesis sobre la esquizofrenia apunta a las interneuronas positivas para parvalbúmina y su papel en la generación de oscilaciones en frecuencia gamma que coordinan las redes corticales. Neuropixels Opto puede activar o silenciar directamente estas interneuronas marcadas genéticamente mientras registra poblaciones corticales distribuidas, permitiendo pruebas causales de la hipótesis de que la disfunción de estas interneuronas subyace a los síntomas cognitivos y perceptivos del trastorno .

En lugar de limitarse a correlacionar la actividad neuronal con el comportamiento o la patología, los investigadores ahora pueden preguntar —y responder— qué causan realmente tipos celulares específicos cuando funcionan mal. Ese salto de la correlación a la causalidad es lo que convierte a Neuropixels Opto en un genuino avance para la neurociencia traslacional.