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 por la neurona 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 una punta fina y coincidir con la impedancia ; [1] son principalmente micropipetas de vidrio, microelectrodos metálicos hechos 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 registrar extracelularmente .
Los registros 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 puede luego aplicarse a las tecnologías de interfaz cerebro-máquina (BMI) para el control cerebral de dispositivos externos. [5]
Existen muchas técnicas disponibles para registrar la actividad cerebral, entre ellas 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. En la actualidad, los registros de una sola unidad proporcionan los registros más precisos de una sola neurona. Una unidad única se define como una sola neurona que se activa y cuyos potenciales de pico están claramente aislados por un microelectrodo de registro. [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 fluye dentro y fuera del soma y los axones en regiones de membrana excitables . Esta corriente crea un potencial de voltaje medible y cambiante dentro (y fuera) de la célula. Esto permite dos tipos básicos de registros de una sola unidad. Los registros de una sola unidad intracelulares 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 célula, brindando solo información de los picos. [7] Se pueden usar diferentes tipos de microelectrodos para registros de una sola unidad; generalmente son de alta impedancia, de punta fina y conductores. Las puntas finas permiten una fácil penetración sin causar daños importantes a la célula, pero también se correlacionan con una alta impedancia. Además, la conductividad eléctrica y/o iónica permite realizar registros tanto con electrodos no polarizables como con electrodos polarizables . [8] Las dos clases principales de electrodos son las micropipetas de vidrio y los electrodos metálicos. Las micropipetas de vidrio rellenas de electrolito se utilizan principalmente para registros intracelulares de una sola unidad; los electrodos metálicos (comúnmente hechos de acero inoxidable, platino, tungsteno o iridio) se utilizan para ambos tipos de registros. [3]
Los registros de una sola unidad han proporcionado herramientas para explorar el cerebro y aplicar este conocimiento a las tecnologías actuales. Los científicos cognitivos han utilizado registros de una sola unidad en los cerebros 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, los registros de una sola unidad se han utilizado en interfaces cerebro-máquina (BMI). Las BMI registran señales cerebrales y decodifican una respuesta deseada, que luego controla el movimiento de un dispositivo externo (como un cursor de computadora o una prótesis). [5]
La capacidad de realizar grabaciones a partir de unidades individuales comenzó con el descubrimiento de que el sistema nervioso tiene propiedades eléctricas. Desde entonces, las grabaciones a partir 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, las grabaciones a partir de unidades individuales continuaron brindando información sobre el mapeo topográfico de la corteza. El desarrollo posterior de conjuntos de microelectrodos permitió realizar grabaciones a partir de múltiples unidades a la vez.
La base de las grabaciones de una sola unidad se basa en la capacidad de registrar señales eléctricas de las neuronas.
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 lo largo 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 en la solución se cargan y descargan). Esto crea una corriente que fluye a través del electrodo, lo que permite la medición de voltaje a través del electrodo con respecto al tiempo. Por lo general, los electrodos no polarizables son micropipetas de vidrio llenas de una solución iónica o metal. Alternativamente, los electrodos polarizados ideales no tienen la transformación de iones; estos son típicamente electrodos de metal. [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; 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. [27] Usando esta técnica, cuando las neuronas disparan un potencial de acción crean cambios en los campos de potencial que se pueden registrar usando microelectrodos. Se ha demostrado que los registros de una sola unidad 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 estados anestesiados con estados despiertos, se ha demostrado que la actividad de una sola unidad en modelos de roedores bajo 2% de isoflurano reduce el nivel de ruido en los registros neurológicos; aunque los registros en estado despierto mostraron un aumento del 14% en la magnitud del voltaje pico a pico. [29]
En el interior de las células, los electrodos registran directamente la activación de los potenciales de acción, reposo y postsinápticos. Cuando una neurona se activa, la corriente fluye hacia dentro y hacia fuera a través de las regiones excitables de los axones y el cuerpo celular de la neurona. Esto crea campos de potencial alrededor de la neurona. Un electrodo cerca de una neurona puede detectar estos campos de potencial extracelulares, creando un pico. [3]
El equipo básico necesario para registrar unidades individuales son microelectrodos, amplificadores , micromanipuladores y dispositivos de registro. 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 se conectara 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 utilizar un amplificador seguidor de cátodo como un dispositivo de adaptación de impedancia para recolectar el voltaje y alimentarlo a un amplificador convencional. Para registrar una sola neurona, se deben utilizar micromanipuladores para insertar con precisión un electrodo en el cerebro. Esto es especialmente importante para la grabación intracelular de una sola unidad.
Por último, 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 conversor analógico-digital y la envían a un ordenador para guardarla. Las técnicas de procesamiento de datos pueden permitir la separación y el análisis de unidades individuales. [7]
Existen dos tipos principales de microelectrodos que se utilizan para registros de una sola unidad: micropipetas de vidrio y electrodos de metal. Ambos son electrodos de alta impedancia, pero las micropipetas de vidrio son altamente resistivas y los electrodos de metal tienen una impedancia dependiente de la frecuencia. Las micropipetas de vidrio son ideales para la medición del potencial de reposo y de acción, mientras que los electrodos de metal se utilizan mejor para las mediciones de picos extracelulares. Cada tipo tiene diferentes propiedades y limitaciones, que pueden ser beneficiosas en aplicaciones específicas.
Las micropipetas de vidrio se llenan con una solución iónica para que sean conductoras; un electrodo de plata-cloruro de plata (Ag-AgCl) se sumerge en la solución de llenado como terminal eléctrico. Idealmente, las soluciones iónicas deberían tener iones similares a las especies iónicas alrededor del electrodo; la concentración dentro del electrodo y el fluido circundante debería ser la misma. Además, las características difusivas de los diferentes iones dentro del electrodo deberían ser similares. El ion también debe ser capaz de "proporcionar 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 de la que está grabando. Los electrodos Ag-AgCl se utilizan principalmente con una solución de cloruro de potasio (KCl). Con los electrodos Ag-AgCl, los iones reaccionan con ella para producir gradientes eléctricos en la interfaz, creando un cambio de voltaje con respecto al tiempo. Eléctricamente, las puntas de los 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 puntas pequeñas facilitan la penetración en la membrana celular con un daño mínimo para los registros intracelulares. Las micropipetas son ideales para la medición de potenciales de membrana en reposo y con algunos ajustes pueden registrar 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. [7] [30]
Los electrodos de metal están hechos de varios tipos de metales, típicamente 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". [30] Son más adecuados para la medición de potenciales de acción extracelulares, aunque también se pueden utilizar micropipetas de vidrio. Los electrodos de metal 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 mejor 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 recubiertos de platino negro y aislados con vidrio. "Normalmente brindan registros 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 registro en un solo electrodo. [31] Los electrodos de tungsteno son muy resistentes y proporcionan registros muy estables. Esto permite la fabricación de electrodos de tungsteno con puntas muy pequeñas para aislar las frecuencias altas. Sin embargo, el tungsteno 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]
Los registros de una sola unidad han permitido monitorear la actividad de una sola neurona, lo que ha permitido a los investigadores descubrir el papel de las diferentes partes del cerebro en el funcionamiento y el comportamiento. Más recientemente, los registros de neuronas individuales se pueden utilizar para diseñar dispositivos "controlados mentalmente".
Se han desarrollado herramientas no invasivas para estudiar el sistema nervioso central que proporcionan información estructural y funcional, pero no proporcionan una resolución muy alta. Para compensar este problema se han utilizado métodos de registro invasivos. Los métodos de registro de una sola unidad proporcionan una alta resolución espacial y temporal para permitir la evaluación 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 describan 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 . [32] Los potenciales evocados proporcionan un método para vincular el comportamiento a la función cerebral. Al estimular diferentes respuestas, se 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. [5]
Las interfaces cerebro-máquina (BMI, por sus siglas en inglés) se han desarrollado en los últimos 20 años. Al registrar 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 . Las BMI tienen el potencial de restaurar la función en pacientes con parálisis o enfermedad neurológica. 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 esta falla es que la respuesta inflamatoria crónica alrededor del electrodo causa 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 registro 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 tetraplejia (Simeral, 2011). [34]