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Con impresión 3D científicos estudiarán como la luz del día modifica la estructura del cerebro

por 12 febrero, 2020

Con impresión 3D científicos estudiarán como la luz del día modifica la estructura del cerebro
Científicos buscan analizar la influencia de estímulos lumínicos en el cerebro, usando larvas de pez cebra como modelo. Dispositivos diseñados por ingenieros del Instituto de Neurociencia Biomédica permitirán aplicar distintos tipos de luz en los experimentos. La utilización de estas estructuras permitirá evaluar la potencial remodelación neuronal en el sistema nervioso.
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Dispositivos opto-electrónicos diseñados por ingenieros chilenos y elaborados con impresoras 3D de última generación serán parte de un estudio que busca comprender cómo la luz del día promueve cambios estructurales en el cerebro.

La investigación, liderada por la Dra. Karina Palma –del Laboratorio de Estudios Ontogénicos, parte del Instituto de Neurociencia Biomédica (BNI, por sus siglas en inglés) de la Facultad de Medicina de la Universidad de Chile–, analizará un grupo de neuronas del cerebro de pez cebra y cómo los estímulos lumínicos influyen su forma y estructura.

“Estudiamos neuronas dentro del sistema nervioso de pez cebra, que no son parte de la retina pero al igual que los foto-receptores, son sensibles a la luz, y que denominamos fotoneuronas”, explica la Dra. Palma.

Aunque se ha establecido que el cerebro tiene la capacidad de sensar fotones, aún no es posible entender de qué forma lo hace. “El objetivo es determinar qué tipo de longitudes de onda son las que están activando cambios en estas neuronas”, agrega la investigadora.

Previo a su inicio, sin embargo, el estudio debió sortear una gran barrera: la búsqueda de una herramienta que replicase las distintas longitudes de la luz solar durante el día para proyectarlas sobre especímenes de pez cebra.

Para solucionar este problema, un grupo de ingenieros de área de bio-matemáticas del BNI– o BioMat – diseñó un dispositivo acoplable al microscopio, e impreso en formato 3D, que permite almacenar muestras y sostener, en su parte superior, un circuito móvil de luces Led de variadas longitudes de onda.

Dispositivo Led Array

Con un tamaño que no supera al de un tazón, el dispositivo irá ensamblado a un microscopio confocal de fluorescencia (que entre otras funciones emplea técnicas ópticas para incrementar el contraste de las imágenes), desde dónde se observará los cambios en el cerebro de los peces durante los períodos de estimulación lumínica.

Diseño a medida

Bautizado como “Led Array” (o matriz de Leds), el dispositivo está conformado por tres partes desmontables: una de protección superior para el circuito electrónico de control; otra para el despliegue de los doce Leds; y una tercera, donde permanecen las muestras, y que se ancla a la platina del microscopio. Está elaborado a base de un polímero plástico de mediana densidad.

“El circuito de luces tiene en total doce mini-ampolletas de longitudes de onda, o ‘distancias’ diferentes. Debajo de ellas estarán las larvas de pez y cada mini-ampolleta, desde distintos ángulos, dará directo sobre la cabeza del pez, lo que será registrado por el microscopio. Esta herramienta, que permite evaluar qué longitudes son las más influyentes, no existía en el mercado. Por eso tuvimos que diseñarla”, cuenta la Dra. Palma.

Hace algunos años, BNI conformó este equipo de bio-informáticos e ingenieros que tiene como propósito contribuir con soporte técnico en ámbitos como procesamiento de imágenes de alta resolución, señales y, ahora, diseño de dispositivos de alta complejidad. Philippe Maillard, experto en fotónica y miembro de BioMat, fue el encargado de crear el “Led Array”.

A diferencia de las impresoras 3D tradicionales, la figura fue procesada en una impresora de fotolitografía, “mucho más precisa y rápida”, detalla el desarrollador. Esta técnica, también conocida como de foto-solidificación, utiliza la luz ultravioleta para hacer sólidos finas capa de resina. La forma se va adquiriendo por capas o secciones transversales, dibujadas por un láser inferior que va delineando cada contorno.

Aunque las mini-ampolletas Led fueron importadas desde Estados Unidos, no existía en el mercado un dispositivo de estas características y fundamentalmente a esa escala. Y por su tamaño y estructura, tampoco era factible encargarlo a un tornero para perfilarlo. “Son cosas tan específicas que es muy complejo encontrarlas. Uno podría mandar a pedirlo, pero sería mucho más caro o complicado. El dispositivo tiene múltiples detalles casi imperceptibles”, añade Maillard.

Cada Led tiene forma cilíndrica con 4,7 milímetros de largo y 4 milímetros de diámetro. El dispositivo proyectará la luz desde doce posiciones distintas, todas con un ángulo de 30 grados de inclinación hacia la muestra, siendo este el ángulo óptimo para aprovechar la mayor cantidad de energía dada las propiedades de iluminación de las ampolletas.

“Esos fueron los requerimientos del equipo y con esa información empezamos a dibujar un bosquejo en papel, sabiendo que el dispositivo debe iluminar un área de trabajo específico. Hicimos los cálculos y lo empezamos a diseñar en el computador. Ahí simulamos y empezamos a generar la estructura, refinando en el diseño la inclinación de los ángulos y las proporciones”, puntualiza el profesional del área BioMat de BNI.

Neuronas sensibles a la luz

En la primera fase del estudio, que partió hace tres años con un proyecto postdoctoral FONDECYT, la Dra. Palma ha indagado en modelos experimentales de larvas en busca de entender cómo la luz influye en modular circuitos neuronales en el sistema nervioso central.

“Hay varios antecedentes en invertebrados, modelos de mosca específicamente, donde se ha visto que hay remodelación estructural de las proyecciones axonales en neuronas durante el día y la noche. Queríamos probar si en modelos vertebrados, mucho más cercanos a nuestro cerebro, ocurría este tipo de remodelaciones, y efectivamente ocurren. Ahora buscamos dar un salto y empezar a ver cómo las longitudes de onda generan cambios estructurales en el cerebro”.

Para responder sus interrogantes, la ventaja del pez cebra, explica, tiene que ver con que es “transparente durante mucho tiempo”, lo que permite visualizar en el microscopio in vivo lo que ocurre con las neuronas; además, pez cebra permite manipular genéticamente circuitos neuronales mediante múltiples estrategias. “Todas estas herramientas son muy innovadoras para abordar estas preguntas que parecen muy simples, pero son muy complejas”, asegura la científica.

“Sabemos que el cerebro es capaz de sensar fotones, pero no cómo, dónde y para qué. Los modelos que usamos en el laboratorio nos permiten una primera aproximación de cómo se desempeña este tipo de neuronas sensibles a la luz, que la perciben en forma directa, y como ellas cambian su estructura en respuesta a la luz”.

La siguiente etapa de este estudio apunta a determinar qué longitudes de onda o ángulos de proyección de la luz –una suerte de simulación de las intensidades de la luz del día– están activando a estas fotoneuronas. Apoyados por el Led Array, una vez que logren establecer esta primera activación, se utilizarán herramientas de optogenética para manipular mediante luz en forma dirigida, la remodelación de la estructura neuronal.

La optogenética es una disciplina que combina métodos genéticos y ópticos para controlar eventos específicos en ciertas células de tejidos vivos, sin alterar su funcionamiento biológico. “Es mucho menos invasivo que la aplicación de electrodos, por ejemplo”, precisa la Dra. Palma.

“La idea es tener una base de cómo este proceso funciona en forma normal y, a partir de esa comprensión, observarlo en forma patológica. El objetivo es que esta base de conocimiento pueda orientar futuras investigaciones y eventualmente definir potenciales aplicaciones. Hay indicios de que la luz podría estar incidiendo en forma positiva en el cerebro y entender esto nos ayudará a extrapolar, y eventualmente contribuir, a algún tipo de tratamiento en enfermedades neurodegenerativas. Por ejemplo, en los últimos años, estudios científicos han determinado que la exposición a luz solar es capaz de mejorar la actividad de los pacientes con Alzheimer, recuperando procesos cognitivos y potenciando la capacidad de recordar cosas.”

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