Un dispositivo implantable discreto podría profundizar nuestra comprensión de las respuestas conductuales

Notas de los editores

Gran parte de lo que sabemos sobre los trastornos neurológicos y psiquiátricos en humanos se remonta a estudios fundamentales sobre cómo los animales, como los ratones, aprenden y se adaptan a diversas situaciones. El estudio de las respuestas conductuales ha sido esclarecedor, pero esto sólo cuenta una parte de la historia.

Los comportamientos suelen ir acompañados de cambios fisiológicos, como aumentos del ritmo cardíaco o fluctuaciones en la temperatura corporal, que pueden ser indicativos de una enfermedad o una respuesta a un fármaco. Pero esta información ha sido casi imposible de recopilar durante pruebas de comportamiento en animales sin resultar perturbadora. Ahora, un nuevo dispositivo podría ofrecer información sin precedentes sobre la fisiología subyacente que acompaña a comportamientos específicos observados en ratones.

Los investigadores han desarrollado un sensor inalámbrico y sin batería que, cuando se implantó en ratones, pudo medir la temperatura corporal y la frecuencia cardíaca y respiratoria junto con información de comportamiento. A estudio de prueba de concepto publicado en Neurona informa una amplia gama de datos fisiológicos previamente inaccesibles tomados durante varias pruebas de comportamiento, lo que demuestra la amplia aplicabilidad del instrumento. Los autores sugieren que el dispositivo podría abrir numerosas vías de investigación, como los efectos de los trastornos cerebrales y los tratamientos sobre el sueño.

«La capacidad de combinar lecturas de fisiología junto con el comportamiento tiene el potencial de hacer avanzar significativamente la neurociencia y otros campos de investigación», dijo el coautor del estudio Cameron Good, Ph.D., director de investigación de NeuroLux, Inc. y asesor de cirugía animal. en la Universidad del Noroeste.

Tecnología adaptada al ratón

Medición ritmo cardiaco o controlar la temperatura corporal puede parecer sencillo, pero con los sensores tradicionales, que requieren cables para transmitir los datos y baterías para alimentar el dispositivo, recuperar datos de animales pequeños durante las pruebas de comportamiento ha sido un desafío.

El voluminoso equipo puede inducir ansiedad en los ratones y restringir su movimiento, poniendo los datos fisiológicos fuera de su alcance durante las pruebas en las que los animales duermen, corren, nadan o interactúan con otros ratones.

Good, neurocientífico de formación, se asoció con John Rogers, Ph.D., profesor de ingeniería biomédica en la Universidad Northwestern, para desarrollar una solución. Juntos, los investigadores diseñaron y construyeron un dispositivo inalámbrico liviano, lo suficientemente pequeño como para implantarlo debajo de la piel de ratones sin obstruir el movimiento ni causar irritación significativa.

Para obtener energía, el dispositivo se basa en un proceso llamado acoplamiento inductivo, donde una fuente externa transmite ondas de radio que generan una corriente eléctrica dentro del sistema. El dispositivo también cuenta con un módulo de comunicación inalámbrica comúnmente utilizado en dispositivos inteligentes, lo que le permite transmitir datos continuamente a una computadora.

El instrumento alberga un sensor de temperatura en miniatura y un acelerómetro de alto rendimiento para detectar vibraciones en el cuerpo generadas por diferentes procesos biológicos, como el latido del corazón, la respiración y el movimiento corporal. Debido a que todos estos procesos pueden ocurrir simultáneamente, el sistema debe diferenciar los diferentes tipos de vibraciones.

«La gracia salvadora aquí es que las vibraciones asociadas con cada actividad cubren un rango distinto de frecuencias. Los ciclos cardíacos producen eventos mucho más puntiagudos y de alta frecuencia que los ciclos respiratorios», dijo Rogers, coautor del estudio.

Debido a estas características vibratorias únicas, los investigadores pudieron desarrollar algoritmos de aprendizaje automático para correlacionar diferentes componentes de los datos sin procesar con fuentes específicas. Además de identificar la respiración y los latidos del corazón, el dispositivo también podría distinguir actividades físicaseliminando la necesidad de que los investigadores documenten manualmente los estados de comportamiento mientras ven potencialmente horas de grabaciones de video.

Explorando las posibilidades

En el estudio, los autores implantaron dispositivos sin ataduras en el abdomen de ratones cerca del corazón. Para demostrar algunas de las posibles aplicaciones de su tecnología, sometieron a los ratones a un amplio espectro de experimentos. Estos incluyeron una prueba de natación comúnmente utilizada en estudios de depresión y ansiedad, pruebas de función motora y cognición, así como varios estudios de interacción social.

A lo largo de los experimentos, el dispositivo permitió a los autores obtener datos fisiológicos en tiempo real y detalles que de otro modo habrían sido inaccesibles. Por ejemplo, el equipo descubrió que al presenciar un conflicto físico entre otros dos ratones, la frecuencia cardíaca se disparaba en los ratones machos, pero se mantenía estable en las hembras.

En otra prueba, los autores utilizaron el dispositivo para rastrear automáticamente tanto los datos fisiológicos como los estados de comportamiento, incluidos caminar, descansar y arreglarse, mientras los ratones deambulaban libremente por sus recintos durante 17 días. La principal implicación de este experimento, explicó Good, fue el potencial de su tecnología en la investigación del sueño, un campo donde los datos fisiológicos en ratones Se ha buscado mucho para obtener una mejor comprensión de afecciones como la apnea del sueño.

A pesar de los prometedores hallazgos de su estudio, los autores están trabajando para ampliar el impacto de este trabajo.

«Ya hemos enviado docenas de dispositivos a personas que solicitaron la tecnología para estudios con múltiples animales, estudios de sueño y vigilia y otros tipos que antes eran imposibles», dijo Rogers.

Además de en la neurociencia, los investigadores prevén aplicaciones en la investigación cardiovascular, el desarrollo de fármacos y muchos otros campos.

«Este estudio es un gran ejemplo de cómo los científicos e ingenieros pueden aportar habilidades únicas pero complementarias para resolver problemas complejos en la investigación biomédica», dijo Tiffani Lash, Ph.D., directora del programa NIBIB en la División de Tecnologías de Informática de la Salud. .