Hablando con las neuronas: electrodos neuronales nanoestructurados

Investigadores coordinados desde IMDEA Nanociencia han diseñado electrodos mejorados para una interacción íntima con las neuronas

Conocer el estado de las células de los mamíferos, en particular de las células nerviosas, depende de los avances en las interfaces basadas en nanotecnología. La nanotecnología ofrece nuevas posibilidades técnicas para desentrañar las rutas de conectividad del sistema nervioso añadiendo estructuras nanométricas para una interfaz más íntima con las neuronas. En este sentido, los microelectrodos no invasivos de diseño mejorado y baja impedancia son muy deseados. Hasta ahora se han propuesto electrodos flexibles, pero sólo unos pocos combinan la flexibilidad con la nanoestructura y la baja impedancia.

Un equipo de investigadores coordinados desde el instituto IMDEA Nanociencia ha diseñado un electrodo flexible de metal con nanotopografía que podría ser una solución. La superficie del electrodo propuesto está nanoestructurada, con nanohilos metálicos verticales que mejoran rendimiento mediante la reducción de la impedancia y consiguen una interconexión más íntima de las neuronas individuales con respecto a los electrodos planos convencionales. Estos electrodos podrían integrarse fácilmente en la superficie de las interfaces neuronales ya existentes para su implantación crónica, minimizando el riesgo de reacciones a cuerpos extraños y de encapsulación a largo plazo, y prolongando así la vida de implantes médicos.

Los nuevos electrodos podrían encontrar aplicación en tecnologías para enfermedades neurodegenerativas. La mayoría de las enfermedades neuronales son crónicas o degenerativas y producen discapacidades cognitivas y motoras muy importantes. Se necesitan electrodos con características particulares para estudiar el sistema neural e interactuar con él, en la búsqueda de información y terapias. Lucas Pérez, coautor de la publicación e investigador de IMDEA Nanociencia dice: "Lo que hemos desarrollado es un novedoso enfoque para fabricar electrodos nanoestructurados, fáciles de fabricar e integrar, que combinan todas las propiedades esperadas para los electrodos neuronales: flexibles, robustos, con baja impedancia y reducida invasividad". Mª Concepción Serrano, coautora e investigadora del ICMM-CSIC añade: "Con una arquitectura diseñada a dimensiones más cercanas a las de los componentes celulares, estos electrodos muestran una respuesta positiva de las células neuronales, incluyendo la aplicación de estimulación eléctrica, abriendo el camino a eventuales usos terapéuticos para la estimulación y/o regeneración del tejido neuronal".  

Las enfermedades neuronales tales como lesión medular (paraplejia y tetraplejia) serían un claro objetivo para la aplicación terapéutica de estos electrodos. "Necesitamos una mejor comprensión de nuestro sistema neural; necesitamos herramientas para interactuar - para hablar - con las neuronas y esto es lo que estamos buscando. A corto plazo, creemos que podemos mejorar el rendimiento de los electrodos que se utilizan actualmente en neurología. En el futuro - soñemos - nos gustaría desarrollar un bypass para las lesiones de la médula espinal" dice el Dr. Pérez. El aumento de la eficiencia y la biocompatibilidad de los electrodos facilitarán y ampliarán su uso para el tratamiento de enfermedades neuronales y para el desarrollo de interfaces cerebro-máquina.

Este trabajo es uno de los resultados de un emocionante intercambio entre físicos con biólogos y médicos para diseñar y fabricar una nueva generación de interfaces neuronales que se beneficien de la nanotecnología. La promesa de este enfoque multidisciplinar abre un atractivo trabajo de colaboración para una investigación que permita diseñar eficazmente una nueva generación de electrodos neuronales, uno de los componentes clave de un bypass activo para la reconexión neuronal.

Cuatro instituciones han participado en este trabajo: ICMM-CSIC (España), IMDEA Nanociencia (España), Hospital Nacional de Parapléjicos de Toledo (España) y SISSA (Italia). La investigación es un resultado de ByAxon, un proyecto europeo de investigación e innovación financiado por el programa Horizonte 2020 (marco de Tecnologías Futuras y Emergentes FET) en virtud del acuerdo de subvención No. 737116. El objetivo es desarrollar un bypass activo basado en la nanotecnología con el fin de lograr la reconexión neuronal directamente a nivel de la médula espinal. El proyecto tiene un presupuesto de unos 3 millones de euros y está coordinado desde IMDEA Nanociencia.


Referencia bibliográfica:

A. Domínguez-Bajo et al. Interfacing neurons with nanostructured electrodes modulates synaptic circuit features. Adv. Biosys., 4(9): 2000117. 2020. DOI: 10.1002/adbi.202000117

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adbi.202000117

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