Los ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, han diseñado una nueva tecnología que puede utilizarse para sondear las conexiones entre el cerebro y el tubo digestivo que influyen en el hambre, el estado de ánimo y diversas enfermedades, según publican en la revista ‘Nature Biotechnology’.

El cerebro y el tubo digestivo están en constante comunicación, transmitiendo señales que ayudan a controlar la alimentación y otros comportamientos. Esta extensa red de comunicación también influye en el estado mental y se ha visto implicada en muchos trastornos neurológicos.

Utilizando fibras incrustadas con diversos sensores, así como fuentes de luz para la estimulación optogenética, los investigadores han demostrado que pueden controlar circuitos neuronales que conectan el intestino y el cerebro, en modelos experimentales.

En su nuevo estudio, los investigadores demostraron que podían inducir sensaciones de saciedad o comportamientos de búsqueda de recompensas en ratones manipulando células del intestino. En futuros trabajos, esperan explorar algunas de las correlaciones que se han observado entre la salud digestiva y afecciones neurológicas como el autismo y la enfermedad de Parkinson.

El año pasado, el Instituto McGovern puso en marcha el Centro Cerebro-Cuerpo K. Lisa Yang para estudiar la interacción entre el cerebro y otros órganos del cuerpo. La investigación del centro se centra en esclarecer cómo estas interacciones contribuyen a moldear el comportamiento y la salud en general, con el objetivo de desarrollar futuras terapias para diversas enfermedades.

“Existe una diafonía bidireccional continua entre el cuerpo y el cerebro –afirma Anikeeva–. Durante mucho tiempo pensamos que el cerebro era un tirano que enviaba información a los órganos y lo controlaba todo. Pero ahora sabemos que hay mucha retroalimentación hacia el cerebro, y esta retroalimentación controla potencialmente algunas de las funciones que antes atribuíamos exclusivamente al control neural central”.

Comunicación neuronal como de la liberación de hormonas

Anikeeva, que dirige el nuevo centro, estaba interesada en sondear las señales que pasan entre el cerebro y el sistema nervioso del intestino, también llamado sistema nervioso entérico. Las células sensoriales del intestino influyen en el hambre y la saciedad a través tanto de la comunicación neuronal como de la liberación de hormonas.

“Para poder llevar a cabo la optogenética intestinal y luego medir los efectos sobre la función cerebral y el comportamiento, lo que requiere una precisión de milisegundos, necesitábamos un dispositivo que no existía. Así que decidimos fabricarlo”, explica Atharva Sahasrabudhe, estudiante de postgrado del MIT, que dirigió el desarrollo de las sondas intestinal y cerebral.

La interfaz electrónica que diseñaron los investigadores consiste en fibras flexibles que pueden desempeñar diversas funciones e insertarse en los órganos de interés. Para crear las fibras, Sahasrabudhe utilizó una técnica llamada estirado térmico, que le permitió crear filamentos de polímero, aproximadamente tan finos como un cabello humano, a los que se pueden incrustar electrodos y sensores de temperatura.

Los filamentos también llevan dispositivos emisores de luz a microescala que pueden utilizarse para estimular optogenéticamente las células, y canales microfluídicos que pueden emplearse para administrar fármacos.

Las propiedades mecánicas de las fibras pueden adaptarse a distintas partes del cuerpo. Para el cerebro, los investigadores crearon fibras más rígidas que pueden introducirse en el interior del cerebro. Para órganos digestivos como el intestino, diseñaron fibras gomosas más delicadas que no dañan el revestimiento de los órganos pero son lo bastante resistentes para soportar el duro entorno del tracto digestivo.

Desarrollar tecnologías que puedan interactuar con los órganos

“Para estudiar la interacción entre el cerebro y el cuerpo, es necesario desarrollar tecnologías que puedan interactuar con los órganos de interés así como con el cerebro al mismo tiempo, registrando al mismo tiempo señales fisiológicas con una elevada relación señal-ruido –afirma Sahasrabudhe–. También necesitamos poder estimular selectivamente distintos tipos de células de ambos órganos en ratones para poder probar sus comportamientos y realizar análisis causales de estos circuitos”.

Las fibras también están diseñadas para que puedan controlarse de forma inalámbrica, mediante un circuito de control externo que puede fijarse temporalmente al animal durante un experimento. Este circuito de control inalámbrico fue desarrollado por Sirma Orguc, postdoctoranda del MIT, becaria Schmidt Science, y Harrison Allen ’20, MEng ’22, que fueron coasesorados entre el laboratorio de Anikeeva y el laboratorio de Anantha Chandrakasan, decano de la Facultad de Ingeniería del MIT y catedrático Vannevar Bush de Ingeniería Eléctrica e Informática.

Utilizando esta interfaz, los investigadores realizaron una serie de experimentos para demostrar que podían influir en el comportamiento manipulando tanto el intestino como el cerebro.

En primer lugar, utilizaron las fibras para administrar estimulación optogenética a una parte del cerebro llamada área tegmental ventral (ATV), que libera dopamina. Colocaron ratones en una jaula con tres cámaras y, cuando los ratones entraban en una de ellas, los investigadores activaban las neuronas dopaminérgicas. El estallido de dopamina resultante hizo que los ratones tuvieran más probabilidades de volver a esa cámara en busca de la recompensa dopaminérgica.

A continuación, intentaron ver si también podían inducir ese comportamiento de búsqueda de recompensa influyendo en el intestino. Para ello, utilizaron fibras en el intestino para liberar sacarosa, que también activó la liberación de dopamina en el cerebro e indujo a los animales a buscar la cámara en la que estaban cuando se les suministró sacarosa.

A continuación, en colaboración con colegas de la Universidad de Duke, descubrieron que podían inducir el mismo comportamiento de búsqueda de recompensas omitiendo la sacarosa y estimulando optogenéticamente las terminaciones nerviosas del intestino que dan entrada al nervio vago, que controla la digestión y otras funciones corporales.

“De nuevo, conseguimos este comportamiento de preferencia de lugar que la gente ha visto anteriormente con la estimulación en el cerebro, pero ahora no estamos tocando el cerebro. Sólo estimulamos el intestino y observamos el control de la función central desde la periferia”, explica Anikeeva.