En neurociencia , los registros de una sola unidad (también registros de una sola neurona) 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 hacia abajo como una corriente que fluye dentro y fuera de la célula a través de regiones de membrana excitables 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 tener punta fina y adaptación de impedancia ; [1] se trata principalmente de micropipetas de vidrio, microelectrodos metálicos de platino, tungsteno, iridio o incluso óxido de iridio. [2] [3] [4] Los microelectrodos se pueden colocar cuidadosamente cerca de la membrana celular , lo que permite la capacidad de grabar 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 luego se puede aplicar a tecnologías de interfaz cerebro-máquina (BMI) para el control cerebral de dispositivos externos. [5]
Hay muchas técnicas disponibles para registrar la actividad cerebral, incluidas la electroencefalografía (EEG), la magnetoencefalografía (MEG) y la resonancia magnética funcional (fMRI), pero no permiten la resolución de una sola neurona. [6] 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 que se activa cuyos potenciales de pico están claramente aislados por un microelectrodo de grabación. [3]
La capacidad de registrar señales de las 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 de los axones en las regiones excitables de la membrana . Esta corriente crea un potencial de voltaje cambiante y mensurable 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 un rastro 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 celular, los registros extracelulares miden el cambio de voltaje (con respecto al tiempo) fuera de la celda, brindando solo información de pico. [7] Se pueden utilizar diferentes tipos de microelectrodos para grabaciones de una sola unidad; Por lo general, son de alta impedancia, de punta fina y conductores. Las puntas finas permiten una fácil penetración sin dañar mucho la celda, pero también se correlacionan con una alta impedancia. Además, la conductividad eléctrica y/o iónica permite registros tanto de electrodos polarizables como no polarizables . [8] 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 registros intracelulares de una sola unidad; Electrodos metálicos (comúnmente de acero inoxidable, platino, tungsteno o iridio) y utilizados para ambos tipos de grabaciones. [3]
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 unidades individuales 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. [6] Más recientemente, se han utilizado grabaciones de una sola unidad en interfaces cerebro-máquina (IMC). 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). [5]
La capacidad de grabar a partir de unidades individuales comenzó con el descubrimiento de que el sistema nervioso tiene propiedades eléctricas. Desde entonces, las grabaciones de unidades individuales se han convertido en un método importante para comprender los mecanismos y funciones del sistema nervioso. A lo largo de los años, el registro de una sola unidad continuó proporcionando información sobre el mapeo topográfico de la corteza. El desarrollo final de conjuntos de microelectrodos permitió grabar desde múltiples unidades a la vez.
La base de los registros unitarios reside en la capacidad de registrar señales eléctricas de las neuronas.
Cuando se inserta un microelectrodo en una solución iónica acuosa, existe una tendencia a que los cationes y aniones reaccionen 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 respecto a un electrodo de referencia. [3] 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; Normalmente se trata de electrodos metálicos. [8] 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; Entonces el metal actúa como un condensador. El cambio de capacitancia con respecto al tiempo se puede medir y convertir en voltaje mediante un circuito puente. [27] Usando esta técnica, cuando las neuronas disparan un potencial de acción, crean cambios en los campos potenciales que pueden registrarse usando microelectrodos. Se ha demostrado que los registros de unidades individuales de las regiones corticales de modelos de roedores dependen de la profundidad a la que se ubicaron los sitios de los microelectrodos. [28] Al comparar los estados anestesiado versus despierto, se ha demostrado que la actividad de una sola unidad en modelos de roedores con menos de 2% de isoflurano reduce el nivel de ruido en los registros neurológicos; a pesar de que las grabaciones en estado despierto mostraron un aumento del 14% en la magnitud del voltaje pico a pico. [29]
Intracelularmente, los electrodos registran directamente la activación de los potenciales de acción, de reposo y postsinápticos. Cuando una neurona se activa, la corriente entra y sale 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 potenciales extracelulares, creando un pico. [3]
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 porción del potencial real. Para resolver este problema, se debe utilizar un amplificador seguidor de cátodo como dispositivo de adaptación de impedancia para recoger el voltaje y alimentarlo a un amplificador convencional. Para registrar desde una sola neurona, se deben utilizar micromanipuladores para insertar con precisión un electrodo en el cerebro. Esto es especialmente importante para el registro 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. Se pueden registrar 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. [7]
Hay dos tipos principales de microelectrodos que se utilizan para registros 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 medir el potencial de acción y en reposo, mientras que los electrodos metálicos se utilizan mejor para medir picos extracelulares. Cada tipo tiene diferentes propiedades y limitaciones, lo que puede resultar beneficioso en aplicaciones específicas.
Las micropipetas de vidrio se llenan con una solución iónica para hacerlas conductoras; Se sumerge un electrodo de plata-cloruro de plata (Ag-AgCl) en la solución de llenado como 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 poder "proporcionar una capacidad de carga de corriente adecuada para las necesidades del experimento". Y lo que es más importante, no debe provocar cambios biológicos en la célula desde la que graba. Los electrodos Ag-AgCl se utilizan principalmente con una solución de cloruro de potasio (KCl). Con los electrodos Ag-AgCl, los iones reaccionan con ellos 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 en la membrana celular con un daño mínimo para las grabaciones intracelulares. Las micropipetas son ideales para medir potenciales de membrana en reposo y con algunos ajustes pueden registrar potenciales de acción. Hay algunas cuestiones a considerar 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. [7] [30]
Los electrodos metálicos están hechos de varios tipos de metales, normalmente silicio, platino y tungsteno. "Se parecen a un condensador electrolítico con fugas, que tiene una impedancia de baja frecuencia muy alta y una impedancia de alta frecuencia baja". [30] Son más adecuados para la medición de 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 pico. También tienen una mayor rigidez mecánica para perforar el tejido cerebral. Por último, se fabrican más fácilmente en diferentes formas y tamaños de punta en grandes cantidades. [3] 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. [7] 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 para permitir múltiples sitios de grabación en un solo electrodo. [31] Los electrodos de tungsteno son muy resistentes y proporcionan grabaciones muy estables. Esto permite fabricar electrodos de tungsteno con puntas muy pequeñas para aislar las 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. [7]
Las grabaciones de una sola unidad han permitido 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".
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 brindan una alta resolución espacial y temporal para permitir que la información evalúe 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 describan el flujo de información a través del cerebro. Por ejemplo, Boraud et al. informan el uso de grabaciones de una sola unidad para determinar la organización estructural de los ganglios basales en pacientes con enfermedad de Parkinson . [32] Los potenciales evocados proporcionan un método para acoplar el comportamiento a la función cerebral. Al estimular diferentes respuestas, se puede visualizar qué parte del cerebro se activa. Este método se ha utilizado para explorar funciones cognitivas como la percepción, la memoria, el lenguaje, las emociones y el control motor. [5]
Las interfaces cerebro-máquina (IMC) se han desarrollado en los últimos 20 años. Al registrar potenciales unitarios individuales, 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 enfermedades neurológicas. Esta tecnología tiene potencial para 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 este fallo es que la respuesta inflamatoria crónica alrededor del electrodo provoca una neurodegeneración que reduce la cantidad de neuronas que puede registrar (Nicolelis, 2001). [33] 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 intracortical de 100 electrodos". Esta iniciativa ha tenido éxito en el avance de las BCI y, en 2011, se publicaron datos que muestran el control informático a largo plazo en un paciente con tetraplejía (Simeral, 2011). [34]