Grabación de una sola unidad - Single-unit recording

En neurociencia , los registros de una sola unidad proporcionan un método para medir las respuestas electrofisiológicas de una sola neurona utilizando un sistema de microelectrodos . Cuando una neurona genera un potencial de acción , la señal se propaga por la neurona como una corriente que fluye dentro y fuera de la célula a través de regiones excitables de la membrana en el soma y el axón . Se inserta un microelectrodo en el cerebro, donde puede registrar la tasa de cambio de voltaje con respecto al tiempo. Estos microelectrodos deben ser conductores de baja impedancia de punta fina; se trata principalmente de micropipetas de vidrio, microelectrodos metálicos de platino, tungsteno, iridio o incluso óxido de iridio. Los microelectrodos se pueden colocar con cuidado cerca de la membrana celular , lo que permite la capacidad de registrar extracelularmente .

Las grabaciones de una sola unidad se utilizan ampliamente en la ciencia cognitiva , donde permiten el análisis de la cognición humana y el mapeo cortical . Esta información se puede aplicar luego a las tecnologías de interfaz cerebro-máquina (BMI) para el control cerebral de dispositivos externos.

Visión general

Hay muchas técnicas disponibles para registrar la actividad cerebral, incluida la electroencefalografía (EEG), la magnetoencefalografía (MEG) y la resonancia magnética funcional (fMRI), pero no permiten la resolución de una sola neurona. Las neuronas son las unidades funcionales básicas del cerebro; transmiten información a través del cuerpo mediante señales eléctricas llamadas potenciales de acción. Actualmente, las grabaciones de una sola unidad proporcionan las grabaciones más precisas de una sola neurona. Una sola unidad se define como una única neurona de disparo cuyos potenciales de pico están claramente aislados por un microelectrodo de registro.

La capacidad de registrar señales de neuronas se centra en el flujo de corriente eléctrica a través de la neurona. A medida que un potencial de acción se propaga a través de la célula, la corriente eléctrica entra y sale del soma y los axones en las regiones excitables de la membrana . Esta corriente crea un potencial de voltaje variable y medible dentro (y fuera) de la celda. Esto permite dos tipos básicos de grabaciones de una sola unidad. Los registros intracelulares de una sola unidad ocurren dentro de la neurona y miden el cambio de voltaje (con respecto al tiempo) a través de la membrana durante los potenciales de acción. Esto genera una traza con información sobre el potencial de reposo de la membrana , los potenciales postsinápticos y los picos a través del soma (o axón). Alternativamente, cuando el microelectrodo está cerca de la superficie de la celda, los registros extracelulares miden el cambio de voltaje (con respecto al tiempo) fuera de la celda, proporcionando solo información de picos. Se pueden utilizar diferentes tipos de microelectrodos para grabaciones de una sola unidad; suelen ser de alta impedancia, de punta fina y conductores. Las puntas finas permiten una fácil penetración sin daños importantes a la celda, pero también se correlacionan con una alta impedancia. Además, la conductividad eléctrica y / o iónica permite grabaciones de electrodos polarizables y no polarizables . Las dos clases principales de electrodos son las micropipetas de vidrio y los electrodos metálicos. Las micropipetas de vidrio llenas de electrolitos se utilizan principalmente para grabaciones intracelulares de una sola unidad; electrodos metálicos (comúnmente hechos de acero inoxidable, platino, tungsteno o iridio) y se utilizan para ambos tipos de grabaciones.

Las grabaciones de una sola unidad han proporcionado herramientas para explorar el cerebro y aplicar este conocimiento a las tecnologías actuales. Los científicos cognitivos han utilizado grabaciones de una sola unidad en el cerebro de animales y humanos para estudiar comportamientos y funciones. También se pueden insertar electrodos en el cerebro de pacientes epilépticos para determinar la posición de los focos epilépticos. Más recientemente, se han utilizado grabaciones de una sola unidad en interfaces cerebro-máquina (BMI). Los IMC registran las señales cerebrales y decodifican una respuesta prevista, que luego controla el movimiento de un dispositivo externo (como un cursor de computadora o una prótesis).

Historia

La capacidad de grabar desde unidades individuales comenzó con el descubrimiento de que el sistema nervioso tiene propiedades eléctricas. Desde entonces, las grabaciones de una sola unidad se han convertido en un método importante para comprender los mecanismos y funciones del sistema nervioso. A lo largo de los años, la grabación de una sola unidad continuó proporcionando información sobre el mapeo topográfico de la corteza. El desarrollo eventual de matrices de microelectrodos permitió grabar desde múltiples unidades a la vez.

  • Década de 1790: Luigi Galvani observó la primera evidencia de actividad eléctrica en el sistema nervioso en la década de 1790 con sus estudios sobre ranas disecadas. Descubrió que se puede inducir a una anca de rana muerta a contraerse con una chispa.
  • 1888: Santiago Ramón y Cajal , un neurocientífico español, revolucionó la neurociencia con su teoría de las neuronas, describiendo la estructura del sistema nervioso y la presencia de unidades funcionales básicas: las neuronas. Ganó el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por este trabajo en 1906.
  • 1928: Uno de los primeros relatos de poder grabar desde el sistema nervioso fue el de Edgar Adrian en su publicación de 1928 "The Basis of Sensation". En esto, describe sus registros de descargas eléctricas en fibras nerviosas individuales utilizando un electrómetro de Lippmann . Ganó el Premio Nobel en 1932 por su trabajo que revela la función de las neuronas.
  • 1940: Renshaw, Forbes & Morrison realizaron estudios originales que registraron la descarga de células piramidales en el hipocampo utilizando microelectrodos de vidrio en gatos.
  • 1950: Woldring y Dirken informan sobre la capacidad de obtener actividad de picos de la superficie de la corteza cerebral con alambres de platino.
  • 1952: Li y Jasper aplicaron el método de Renshaw, Forbes y Morrison para estudiar la actividad eléctrica en la corteza cerebral de un gato. Se reveló el modelo de Hodgkin-Huxley , donde utilizaron un axón gigante de calamar para determinar el mecanismo exacto de los potenciales de acción.
  • 1953: Microelectrodos de iridio desarrollados para grabación.
  • 1957: John Eccles utilizó la grabación intracelular de una sola unidad para estudiar los mecanismos sinápticos en las motoneuronas (por lo que ganó el Premio Nobel en 1963).
  • 1958: Microelectrodos de acero inoxidable desarrollados para grabación.
  • 1959: Estudios de David H. Hubel y Torsten Wiesel . Utilizaron grabaciones de una sola neurona para mapear la corteza visual en gatos sin anestesia y sin ataduras utilizando electrodos de tungsteno. Este trabajo les valió el Premio Nobel en 1981 por el procesamiento de información en el sistema visual.
  • 1960: Microelectrodos de platino con aislamiento de vidrio desarrollados para grabación.
  • 1967: Marg y Adams publicaron el primer registro de matrices de electrodos múltiples para grabación. Aplicaron este método para registrar muchas unidades a la vez en un solo paciente para cirugía cerebral diagnóstica y terapéutica.
  • 1978: Schmidt y col. implantó electrodos microcorticales de grabación crónica en la corteza de los monos y demostró que podían enseñarles a controlar las tasas de activación neuronal, un paso clave para la posibilidad de registrar señales neuronales y usarlas para los IMC.
  • 1981: Kruger y Bach ensamblan 30 microelectrodos individuales en una configuración de 5x6 e implantan los electrodos para el registro simultáneo de múltiples unidades.
  • 1992: Desarrollo de la "matriz de electrodos intracorticales de Utah (UIEA), una matriz de múltiples electrodos que puede acceder a la estructura columnar de la corteza cerebral para aplicaciones neurofisiológicas o neuroprotésicas".
  • 1994: Se desarrolló la matriz Michigan, un electrodo plano de silicio con múltiples sitios de grabación. NeuroNexus, una empresa privada de neurotecnología, se forma en base a esta tecnología.
  • 1998: Kennedy y Bakay lograron un avance clave para los IMC con el desarrollo de electrodos neurotróficos . En pacientes con esclerosis lateral amiotrófica (ELA), una afección neurológica que afecta la capacidad de controlar el movimiento voluntario, pudieron registrar con éxito los potenciales de acción utilizando matrices de microelectrodos para controlar un cursor de computadora.
  • 2016: Elon Musk cofundó e invirtió $ 100 millones para Neuralink , que tiene como objetivo desarrollar IMC de ancho de banda ultra alto. En 2019, él y Neuralink publicaron su trabajo seguido de una conferencia de prensa en vivo.

Electrofisiología

La base de las grabaciones de una sola unidad se basa en la capacidad de registrar señales eléctricas de las neuronas.

Potenciales neuronales y electrodos

Cuando se inserta un microelectrodo en una solución iónica acuosa, los cationes y aniones tienden a reaccionar con el electrodo creando una interfaz electrodo-electrolito. La formación de esta capa se ha denominado capa de Helmholtz . Se produce una distribución de carga a través del electrodo, lo que crea un potencial que se puede medir con un electrodo de referencia. El método de registro del potencial neuronal depende del tipo de electrodo utilizado. Los electrodos no polarizables son reversibles (los iones de la solución se cargan y descargan). Esto crea una corriente que fluye a través del electrodo, lo que permite medir el voltaje a través del electrodo con respecto al tiempo. Normalmente, los electrodos no polarizables son micropipetas de vidrio llenas de una solución iónica o de metal. Alternativamente, los electrodos polarizados ideales no tienen la transformación de iones; estos son típicamente electrodos metálicos. En cambio, los iones y electrones en la superficie del metal se polarizan con respecto al potencial de la solución. Las cargas se orientan en la interfaz para crear una doble capa eléctrica; el metal entonces actúa como un condensador. El cambio de capacitancia con respecto al tiempo se puede medir y convertir a voltaje usando un circuito puente. Con esta técnica, cuando las neuronas disparan un potencial de acción, crean cambios en los campos de potencial que se pueden registrar mediante microelectrodos. Se ha demostrado que los registros de una sola unidad de las regiones corticales de los modelos de roedores dependen de la profundidad a la que se ubicaron los sitios de los microelectrodos.

Intracelularmente, los electrodos registran directamente la activación de los potenciales de acción, reposo y postsinápticos. Cuando se activa una neurona, la corriente fluye hacia adentro y hacia afuera a través de regiones excitables en los axones y el cuerpo celular de la neurona. Esto crea campos potenciales alrededor de la neurona. Un electrodo cerca de una neurona puede detectar estos campos de potencial extracelular, creando un pico.

Configuración experimental

El equipo básico necesario para grabar unidades individuales son microelectrodos, amplificadores , micromanipuladores y dispositivos de grabación. El tipo de microelectrodo utilizado dependerá de la aplicación. La alta resistencia de estos electrodos crea un problema durante la amplificación de la señal. Si estuviera conectado a un amplificador convencional con baja resistencia de entrada, habría una gran caída de potencial a través del microelectrodo y el amplificador solo mediría una pequeña parte del potencial real. Para resolver este problema, se debe usar un amplificador seguidor de cátodo como dispositivo de adaptación de impedancia para recolectar el voltaje y alimentarlo a un amplificador convencional. Para registrar desde una sola neurona, se deben usar micromanipuladores para insertar con precisión un electrodo en el cerebro. Esto es especialmente importante para la grabación intracelular de una sola unidad.

Finalmente, las señales deben exportarse a un dispositivo de grabación. Después de la amplificación, las señales se filtran con diversas técnicas. Pueden grabarse con un osciloscopio y una cámara, pero las técnicas más modernas convierten la señal con un convertidor analógico a digital y la envían a una computadora para guardarla. Las técnicas de procesamiento de datos pueden permitir la separación y el análisis de unidades individuales.

Tipos de microelectrodos

Hay dos tipos principales de microelectrodos utilizados para grabaciones de una sola unidad: micropipetas de vidrio y electrodos metálicos. Ambos son electrodos de alta impedancia, pero las micropipetas de vidrio son altamente resistivas y los electrodos metálicos tienen una impedancia dependiente de la frecuencia. Las micropipetas de vidrio son ideales para la medición del potencial de acción y en reposo, mientras que los electrodos metálicos se utilizan mejor para las mediciones de picos extracelulares. Cada tipo tiene diferentes propiedades y limitaciones, que pueden ser beneficiosas en aplicaciones específicas.

Micropipetas de vidrio

Las micropipetas de vidrio se llenan con una solución iónica para hacerlas conductoras; una plata-cloruro de plata (Ag-AgCl) de electrodo se sumerge en la solución de relleno como un terminal eléctrico. Idealmente, las soluciones iónicas deberían tener iones similares a especies iónicas alrededor del electrodo; la concentración dentro del electrodo y el fluido circundante debe ser la misma. Además, las características de difusión de los diferentes iones dentro del electrodo deberían ser similares. El ion también debe ser capaz de "proporcionar una capacidad de transporte de corriente adecuada para las necesidades del experimento". Y lo que es más importante, no debe causar cambios biológicos en la célula desde la que está registrando. Los electrodos Ag-AgCl se utilizan principalmente con una solución de cloruro de potasio (KCl). Con los electrodos Ag-AgCl, los iones reaccionan con él para producir gradientes eléctricos en la interfaz, creando un cambio de voltaje con respecto al tiempo. Eléctricamente, las puntas de microelectrodos de vidrio tienen alta resistencia y alta capacitancia. Tienen un tamaño de punta de aproximadamente 0,5-1,5 µm con una resistencia de aproximadamente 10-50 MΩ. Las pequeñas puntas facilitan la penetración de la membrana celular con un daño mínimo para las grabaciones intracelulares. Las micropipetas son ideales para medir los potenciales de membrana en reposo y, con algunos ajustes, pueden registrar los potenciales de acción. Hay algunas cuestiones a tener en cuenta al utilizar micropipetas de vidrio. Para compensar la alta resistencia en las micropipetas de vidrio, se debe utilizar un seguidor de cátodo como amplificador de primera etapa. Además, se desarrolla una alta capacitancia a través del vidrio y la solución conductora que puede atenuar las respuestas de alta frecuencia. También existe una interferencia eléctrica inherente a estos electrodos y amplificadores.

Metal

Los electrodos metálicos están hechos de varios tipos de metales, generalmente silicio, platino y tungsteno. "Se asemejan a un condensador electrolítico con fugas, con una impedancia de baja frecuencia muy alta y una impedancia de alta frecuencia baja". Son más adecuadas para medir los potenciales de acción extracelulares, aunque también se pueden utilizar micropipetas de vidrio. Los electrodos metálicos son beneficiosos en algunos casos porque tienen una alta relación señal-ruido debido a una menor impedancia para el rango de frecuencia de las señales de picos. También tienen una mejor rigidez mecánica para perforar el tejido cerebral. Por último, se fabrican más fácilmente en diferentes formas y tamaños de puntas en grandes cantidades. Los electrodos de platino están chapados en negro platino y aislados con vidrio. "Normalmente ofrecen grabaciones estables, una alta relación señal / ruido, buen aislamiento y son bastante resistentes en los tamaños de punta habituales". La única limitación es que las puntas son muy finas y frágiles. Los electrodos de silicio son electrodos de aleación dopados con silicio y una capa de cubierta de vidrio aislante. La tecnología de silicio proporciona una mejor rigidez mecánica y es un buen soporte de soporte para permitir múltiples sitios de grabación en un solo electrodo. Los electrodos de tungsteno son muy resistentes y proporcionan grabaciones muy estables. Esto permite la fabricación de electrodos de tungsteno con puntas muy pequeñas para aislar altas frecuencias. El tungsteno, sin embargo, es muy ruidoso a bajas frecuencias. En el sistema nervioso de los mamíferos donde hay señales rápidas, el ruido se puede eliminar con un filtro de paso alto. Las señales lentas se pierden si se filtran, por lo que el tungsteno no es una buena opción para registrar estas señales.

Aplicaciones

Las grabaciones de una sola unidad han permitido la capacidad de monitorear la actividad de una sola neurona. Esto ha permitido a los investigadores descubrir el papel de diferentes partes del cerebro en la función y el comportamiento. Más recientemente, la grabación de neuronas individuales se puede utilizar para diseñar dispositivos "controlados por la mente".

Ciencia cognitiva

Se han desarrollado herramientas no invasivas para estudiar el SNC para proporcionar información estructural y funcional, pero no proporcionan una resolución muy alta. Para compensar este problema se han utilizado métodos de grabación invasivos. Los métodos de grabación de una sola unidad proporcionan una alta resolución espacial y temporal para permitir la evaluación de la información de la relación entre la estructura, la función y el comportamiento del cerebro. Al observar la actividad cerebral a nivel neuronal, los investigadores pueden vincular la actividad cerebral con el comportamiento y crear mapas neuronales que describen el flujo de información a través del cerebro. Por ejemplo, Boraud et al. informan sobre el uso de registros de una sola unidad para determinar la organización estructural de los ganglios basales en pacientes con enfermedad de Parkinson . Los potenciales evocados proporcionan un método para acoplar el comportamiento a la función cerebral. Al estimular diferentes respuestas, uno puede visualizar qué parte del cerebro está activada. Este método se ha utilizado para explorar funciones cognitivas como la percepción, la memoria, el lenguaje, las emociones y el control motor.

Interfaces cerebro-máquina

Las interfaces cerebro-máquina (BMI) se han desarrollado en los últimos 20 años. Al registrar los potenciales de una sola unidad, estos dispositivos pueden decodificar señales a través de una computadora y emitir esta señal para el control de un dispositivo externo, como un cursor de computadora o una prótesis . Los IMC tienen el potencial de restaurar la función en pacientes con parálisis o enfermedad neurológica. Esta tecnología tiene el potencial de llegar a una amplia variedad de pacientes, pero aún no está disponible clínicamente debido a la falta de confiabilidad en el registro de señales a lo largo del tiempo. La hipótesis principal con respecto a esta falla es que la respuesta inflamatoria crónica alrededor del electrodo causa una neurodegeneración que reduce la cantidad de neuronas desde las que puede registrar (Nicolelis, 2001). En 2004, se inició el ensayo clínico piloto BrainGate para "probar la seguridad y viabilidad de un sistema de interfaz neuronal basado en una matriz de grabación de silicio de 100 electrodos intracorticales". Esta iniciativa ha tenido éxito en el avance de las BCI y, en 2011, se publicaron datos que mostraban el control informático a largo plazo en un paciente con tetraplejía (Simeral, 2011).

Ver también

Notas

Referencias

enlaces externos