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La tecnología inalámbrica del neuromodulation podía perfeccionar las vidas de pacientes con desordenes del cerebro

Los científicos hacen el descubrimiento giratorio del método para la modulación inalámbrica de neuronas con las radiografías que podrían perfeccionar las vidas de pacientes con desordenes del cerebro. La fuente de la radiografía requiere solamente una máquina como eso encontrada en la oficina de un dentista.

Mucha gente por todo el mundo sufre de desordenes movimiento-relacionados del cerebro. La epilepsia explica más de 50 millones; temblor esencial, 40 millones; y la enfermedad de Parkinson, 10 millones.

El relevo para algunas víctimas del desorden del cerebro puede un día estar en la manera bajo la forma de nuevo tratamiento inventado por los investigadores del Ministerio de los E.E.U.U. de laboratorio (DOE) nacional de Argonne de la Energía y cuatro universidades. El tratamiento se basa en rupturas en las ópticas y las genéticas. Sería aplicable no sólo a los desordenes movimiento-relacionados del cerebro, pero también a la depresión y al dolor crónicos.

Nuestra aproximación no invasor de la alta precisión podía llegar a ser rutinaria con el uso de una pequeña máquina de radiografía, la clase encontrada común en cada oficina dental.”

Elena Rozhkova, Nanoscientist, el centro de Argonne para los materiales de Nanoscale

Este nuevo tratamiento implica el estímulo de neuronas profundamente dentro del cerebro mediante los nanoparticles inyectados que se encienden hacia arriba cuando están expuestos a las radiografías (nanoscintillators) y eliminarían una neurocirugía invasor actualmente funcionando.

“Nuestra aproximación no invasor de alta precisión podría llegar a ser rutinaria con el uso de una pequeña máquina de radiografía, la clase encontrada común en cada oficina dental,” dijo a Elena Rozhkova, autor importante y un nanoscientist en el centro para los materiales de Nanoscale (CNM), una oficina de Argonne de la GAMA de la instalación del utilizador de la ciencia.

El estímulo profundo tradicional del cerebro requiere un procedimiento neuroquirúrgico invasor para los desordenes cuando la medicación convencional no es una opción. En el procedimiento tradicional, aprobado por los E.E.U.U. Food and Drug Administration, los cirujanos implantan un generador de pulso calibrado bajo la piel (similar a marcapasos).

Entonces los conectan con un cable de extensión aislado con los electrodos insertados en un área específica del cerebro para estimular las neuronas circundantes y para regular impulsos anormales.

“El científico hispanoamericano José Manuel Rodríguez Delgado demostró famoso el estímulo profundo del cerebro en una plaza de toros en los años 60,” dijo a Vassiliy Tsytsarev, neurobiólogo de la Universidad de Maryland y de un co-autor del estudio. “Él trajo un toro el rabiar que cargaba en él a un punto muerto enviando una señal de radio a un electrodo implantado.”

Hace aproximadamente 15 años, los científicos introdujeron una tecnología revolucionaria del neuromodulation, el “optogenetics,” que confía en la modificación genética de neuronas específicas en el cerebro. Estas neuronas crean un canal sensible a la luz del ión en el cerebro y, de tal modo, el fuego en respuesta a luz laser externa. Esta aproximación, sin embargo, requiere los alambres fibroópticos muy finos implantados en el cerebro y sufre de la profundidad de penetración limitada de la luz laser a través de tejidos biológicos.

La aproximación alternativa del optogenetics de las personas utiliza nanoscintillators inyectada en el cerebro, sobrepasando los electrodos implantables o los alambres fibroópticos. En vez de los laseres, substituyen radiografías debido a su mayor capacidad de pasar a través de barreras biológicas del tejido.

“Los nanoparticles inyectados absorben la energía de la radiografía y la convierten en la luz roja, que tiene profundidad de penetración importante mayor que luz azul,” dijeron a Zhaowei Chen, becario postdoctoral anterior de CNM.

“Así, los nanoparticles sirven como fuente de luz interna que haga nuestro trabajo del método sin un alambre o un electrodo,” Rozhkova adicional. Puesto que la aproximación de personas puede estimular y calmar pequeñas áreas apuntadas, Rozhkova observó, él tiene otros usos que desordenes del cerebro. Por ejemplo, podría ser aplicable a los problemas del corazón y otra dañó los músculos.

Una de las llaves de las personas al éxito era la colaboración entre dos de las instalaciones de calidad mundial en Argonne: Fuente avance del fotón de CNM y de Argonne (APS), una oficina de la GAMA de la instalación del utilizador de la ciencia. El trabajo en estas instalaciones comenzó con la síntesis y la caracterización de la multi-herramienta de los nanoscintillators.

Particularmente, la luminiscencia óptica emocionada radiografía de las muestras del nanoparticle era resuelta en un beamline de los APS (20-BM). Los resultados mostraron que las partículas eran meses excesivos extremadamente estables y sobre la exposición relanzada a las radiografías de alta intensidad.

Según Zou Finfrock, un científico del estado mayor en el beamline de los APS 20-BM y la fuente de luz canadiense, “guardaron el brillar intensamente una luz naranja-roja hermosa.”

Después, Argonne envió nanoscintillators CNM-preparados a la Universidad de Maryland para las pruebas en ratones. Las personas en la Universidad de Maryland realizaron estas pruebas durante dos meses con una pequeña máquina de radiografía portátil. Los resultados probaron que el procedimiento trabajó según lo previsto. Los ratones cuyos cerebros genético habían sido modificados para reaccionar a la luz roja respondieron a los pulsos de la radiografía con las ondas cerebrales registradas en un electroencefalograma.

Finalmente, las personas de la Universidad de Maryland enviaron los cerebros animales para la caracterización usando la microscopia de fluorescencia de la radiografía realizada por los científicos de Argonne. Este análisis fue realizado por Olga Antipova en el beamline del microsondeo electrónico (2-ID-E) en los APS y por Zhonghou Cai en la radiografía dura Nanoprobe (26-ID) operó en común por CNM y los APS.

Esta ordenación del multi-instrumento permitió considerar partículas minúsculas el residir en el ambiente complejo del tejido cerebral con una estupendo-resolución de docenas de nanómetros.

También permitió el visualizar de las neuronas cerca y lejos del sitio de la inyección en una microescala. Los resultados probaron que los nanoscintillators son químicamente y biológico estables. No vagan del sitio de la inyección ni degradan.

La “preparación de la muestra es extremadamente importante en estos tipos de análisis biológico,” dijo a Antipova, físico en la división de ciencia de la radiografía (XSD) en los APS. Antipova fue ayudado por Qiaoling Jin y Xueli Liu, que prepararon secciones del cerebro solamente algunos micrómetros gruesos con joyero-como exactitud.

“Hay un nivel intenso de interés comercial en el optogenetics para los usos médicos,” dijo a Rozhkova. “Aunque aún en el escenario del prueba-de-concepto, predecimos que nuestra aproximación inalámbrica patente-pendiente con las pequeñas máquinas de radiografía debe tener un futuro brillante.”

Source:
Journal reference:

Chen, Z., et al. (2021) Wireless Optogenetic Modulation of Cortical Neurons Enabled by Radioluminescent Nanoparticles. ACS Nano. doi.org/10.1021/acsnano.0c10436.