VIII Carnaval Tecnología: Nanoelectrodos para registrar la actividad nerviosa de las neuronas

La portada de la revista Nature Nanotechnology de este mes presenta un gran avance en el desarrollo de electrodos para registrar y/o estimular la actividad eléctrica de neuronas individuales cultivadas in vivo. La matriz de electrodos basada en nanohilos verticales (VNEA por Vertical Nanowire Electrode Array) se fabrica utilizando tecnología de silicio convencional sobre un sustrato plano, lo que facilita su uso en cultivos celulares. VNEA está compuesta por 16 celdas que permiten estudiar 16 neuronas de forma simultánea, cada celda está compuesta de una matriz de 3 × 3 nanohilos, cada uno de los cuales se puede acceder de forma individual. Cada nanohilo tiene un diámetro de 150 nm, una altura de 3 μm, está espaciado de los otros por 2 μm y es capaz de penetrar la membrana de la célula nerviosa para registrar y/o estimular el potencial de acción de la neurona. Hongkun Park (Universidad de Harvard) y sus colegas han estudiado neuronas de rata demostrando que los VNEA alcanza una relación señal/ruido de ~100, que se puede mejorar por un factor de 10 promediando medidas repetidas. El artículo técnico es Jacob T. Robinson, Marsela Jorgolli, Alex K. Shalek, Myung-Han Yoon, Rona S. Gertner & Hongkun Park, “Vertical nanowire electrode arrays as a scalable platform for intracellular interfacing to neuronal circuits,” Nature Nanotechnology 7: 180–184 (2012) [copia gratis del pdf].

En este número de Nature Nanotechnology aparecen otros dos artículos técnicos que presentan otros diseños de nanoelectrodos. Los discute en detalle Vladimir Parpura, “Bionanoelectronics: Getting close to the action,” Nature Nanotechnology 7: 143–145 (2012) [copia gratis del pdf].

El segundo artículo trata sobre los nanoelectrodos desarrollados por el grupo liderado por Bianxiao Cui y Yi Cui (Universidad de Stanford). Utilizan matrices de nanopilares de platino de 150 nm de diámetro, y entre 1 y 2 μm de altura, pero a diferencia del trabajo de Park y sus colegas, todos los nanopilares están conectados al mismo electrodo y no pueden ser accedidos de forma individual. Los Cui y sus colegas han estudiado con sus nanoelectrodos el potencial de acción interior y exterior en células de músculo cardíaco (cardiomiocitos) de ratón. La técnica de Cui y sus colegas tiene múltiples inconvenientes comparada con la de Park y los suyos, por ejemplo, su relación señal-ruido es muy baja (~7). Sin embargo, el artículo de Cui y sus colegas presenta varias técnicas muy interesantes de multiplexado de señales que seguramente los otros grupos acabarán incorporando a sus propios diseños. El artículo técnico es Chong Xie, Ziliang Lin, Lindsey Hanson, Yi Cui & Bianxiao Cui, “Intracellular recording of action potentials by nanopillar electroporation,” Nature Nanotechnology 7: 185–190 (2012) [copia gratis del pdf].

Lo más interesante del artículo de Cui y sus colegas es el estudio del efecto de la “electroporación,” la aparición de poros en la membrana de la célula cuando el electrodo es estimulado eléctricamente; estos poros nanométricos ponen en contacto el electrodo con el interior celular permitiendo una lectura mucho más limpia del potencial de acción mediante los nanoelectrodos.

El tercer y último artículo sobre el mismo tema está firmado por el grupo liderado por Charles Lieber (Universidad de Harvard) y presenta la medición del potencial eléctrico mediante transistores de efecto campo (FET) basados en nanohilos (llamados BIT-FET por Branched Intracellular nanoTube Field-Effect Transistor). Estos electrodos permiten medidas intracelulares del potencial de acción en neuronas y cardiomiocitos con una precisión espacial muy alta. Los grupos de Park y Cui han desarrollado versiones en la nanoescala de los microelectrodos convencionales, por lo que su impedancia es muy alta (crece conforme decrece la escala del electrodo). Sin embargo, Lieber y sus colegas han logrado superar el problema de la impedancia utilizando electrodos huecos en forma de nanotubo de entre 1 y 1,5 μm de altura, un diámetro exterior en su base de ~150 nm y de unos ~55 nm en su punta, y un diámetro interior constante de unos 50 nm; el volumen interno de estos nanotubos es de unos ~3 attolitros. Cuando estos nanoelectrodos penetran en la célula, el líquido intracelular (citosol), que es un conductor, penetra dentro del nanotubo excitando el transistor FET; los potenciales de acción se leen gracias a la corriente eléctrica que atraviesa el transistor FET que actúa en modo amplificador. Xiaojie Duan, Ruixuan Gao, Ping Xie, Tzahi Cohen-Karni, Quan Qing, Hwan Sung Choe, Bozhi Tian, Xiaocheng Jiang & Charles M. Lieber, “Intracellular recordings of action potentials by an extracellular nanoscale field-effect transistor,” Nature Nanotechnology 7: 174–179 (2012).

La relación señal-ruido de los nanoelectrodos BIT-FET está entre 40 y 80, pero Lieber y sus colegas creen que podrán mejorarla con cambios pequeños de diseño. En resumen, estos tres artículos muestran los grandes avances que se están realizando en el desarrollo de nanoelectrodos para aplicaciones en electrofisiología. La gran ventaja de alta capacidad de integración de estos electrodos es que permiten medidas sobre las dendritas y sus ramificaciones. El gran problema de estas técnicas invasivas es que aún falta desarrollar técnicas que permitan posicionar estos nanoelectrodos en los lugares de interés.

Esta entrada participa en la VIII Edición del Carnaval de la Tecnología organizado en esta ocasión por J.M. Mulet en su blog “Los productos naturales ¡vaya timo!,” quien nos propone como tema estrella la biotecnología. “Las normas de participación las podéis encontrar en el blog del propio carnaval. Podéis comunicarle las entradas como comentario en su post o a su cuenta de twitter (@jmmulet).”

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danieldaniel

Quizás un día tengamos tarjetas micro SD de tropecientos gigas conectadas a la corteza cerebral.

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