Matriz de microelectrodos

El tipo estándar de MEA in vitro viene en un patrón de 8 x 8 o 6 x 10 electrodos. Los electrodos suelen estar compuestos de óxido de indio y estaño , negro de platino o nitruro de titanio y tienen diámetros entre 10 y 30 μm. Estas matrices se utilizan normalmente para cultivos de células individuales o cortes cerebrales agudos. ^{[ 3 ]}

Uno de los desafíos en el estudio de los MEA in vitro ha sido su visualización con microscopios que utilizan lentes de alta potencia, lo que requiere distancias de trabajo cortas del orden de micrómetros. Para evitar este problema, se han creado MEA "delgados" utilizando portaobjetos de vidrio. Estos conjuntos tienen un grosor aproximado de 180 μm, lo que permite su uso con lentes de alta potencia. ^{[ 3 ] [ 11 ]}

Otro desafío entre los MEA in vitro ha sido la rigidez del sustrato de vidrio, que no reproduce la naturaleza blanda y flexible de los tejidos biológicos, lo que afecta el comportamiento celular y los resultados experimentales. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Para abordar esta limitación, se han desarrollado matrices de microelectrodos flexibles y elásticas para simular mejor las propiedades mecánicas de los tejidos vivos. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Fabricantes de MEA flexibles y elásticas como BioMedical Sustainable Elastic Electronic Devices y Flexcell International Corporation están impulsando las tecnologías de MEA para mejorar la relevancia de la investigación in vitro al proporcionar un entorno más fisiológicamente preciso para las células. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

En otro diseño especial, 60 electrodos se dividen en matrices de 6 × 5 separadas por 500 μm. Los electrodos dentro de un grupo están separados por 30  μm con diámetros de 10 μm. Matrices como esta se utilizan para examinar las respuestas locales de las neuronas y, al mismo tiempo, estudiar la conectividad funcional de cortes organotípicos. ^{[ 3 ] [ 17 ]}

La resolución espacial es una de las principales ventajas de los MEA y permite captar señales enviadas a larga distancia con mayor precisión cuando se utiliza un MEA de alta densidad. Estos conjuntos suelen tener un patrón de cuadrícula cuadrada de 256 electrodos que cubren un área de 2,8 x 2,8  mm. ^{[ 3 ]}

La mayor resolución espacial se logra mediante matrices de microelectrodos de alta densidad basadas en CMOS, que incluyen miles de electrodos junto con circuitos integrados de lectura y estimulación en chips compactos del tamaño de una uña. ^{[ 18 ]} Incluso se ha demostrado la resolución de señales que se propagan a lo largo de axones individuales. ^{[ 19 ]}

Para obtener señales de calidad, los electrodos y el tejido deben estar en estrecho contacto. El diseño MEA perforado aplica presión negativa a las aberturas del sustrato para que las secciones de tejido puedan colocarse sobre los electrodos y así mejorar el contacto y las señales registradas. ^{[ 3 ]}

Otro enfoque para reducir la impedancia del electrodo es mediante la modificación del material de la interfaz, por ejemplo, mediante el uso de nanotubos de carbono , ^{[ 20 ] [ 21 ]} o mediante la modificación de la estructura de los electrodos, por ejemplo, con nanopilares de oro ^{[ 22 ]} o nanocavidades. ^{[ 23 ]}

Si bien el registro extracelular in vitro a largo plazo de células neuronales ha sido la principal vía del CMOS MEA, ^{[ 24 ]} su capacidad se ha extendido recientemente al registro intracelular in vitro de células neuronales con múltiples electrodos de alta sensibilidad, ^{[ 25 ]} complementando el registro extracelular a largo plazo.

Las tres categorías principales de MEA implantables son las de microalambre, las basadas en silicio ^{[ 26 ]} y las matrices de microelectrodos flexibles. Las MEA de microalambre están hechas principalmente de acero inoxidable o tungsteno y se pueden usar para estimar la posición de neuronas individuales registradas mediante triangulación. Las matrices de microelectrodos basadas en silicio incluyen dos modelos específicos: las matrices de Michigan y Utah. Las matrices de Michigan permiten una mayor densidad de sensores para la implantación, así como una mayor resolución espacial que las MEA de microalambre. También permiten obtener señales a lo largo del vástago, en lugar de solo en los extremos. A diferencia de las matrices de Michigan, las matrices de Utah son tridimensionales y constan de 100 agujas de silicio conductoras. Sin embargo, en una matriz de Utah, las señales solo se reciben de las puntas de cada electrodo, lo que limita la cantidad de información que se puede obtener a la vez. Además, las matrices de Utah se fabrican con dimensiones y parámetros fijos, mientras que la matriz de Michigan permite una mayor libertad de diseño. Los conjuntos flexibles, fabricados con poliimida , parileno o benzociclobuteno , ofrecen una ventaja sobre los conjuntos de microelectrodos rígidos porque proporcionan una coincidencia mecánica más precisa, ya que el módulo de Young del silicio es mucho mayor que el del tejido cerebral, lo que contribuye a la inflamación inducida por cizallamiento . ^{[ 9 ] [ 13 ] [ 27 ]}

En general, las principales ventajas de los arreglos in vitro en comparación con métodos más tradicionales como el patch clamping incluyen: ^{[ 30 ]}

• Permite la colocación de múltiples electrodos a la vez en lugar de individualmente.
• La capacidad de establecer controles dentro del mismo montaje experimental (utilizando un electrodo como control y otros como experimentales). Esto resulta de particular interés en experimentos de estimulación.
• La capacidad de seleccionar diferentes sitios de grabación dentro del conjunto
• La capacidad de recibir datos simultáneamente de múltiples sitios.
• Las grabaciones de retinas intactas son de gran interés debido a la posibilidad de proporcionar estimulación óptica en tiempo real y, por ejemplo, a la posibilidad de reconstruir campos receptivos.

Además, los microarrays in vitro no son invasivos en comparación con la técnica de patch clamp, ya que no requieren la ruptura de la membrana celular.

En lo que respecta a los conjuntos de electrodos in vivo , la principal ventaja sobre la técnica de patch clamp reside en su alta resolución espacial. Los conjuntos implantables permiten obtener señales de neuronas individuales, lo que posibilita información como la posición o la velocidad del movimiento motor, útil para controlar una prótesis . Es posible realizar registros paralelos a gran escala con decenas de electrodos implantados, al menos en roedores, durante el comportamiento animal. Esto convierte a dichos registros extracelulares en el método de elección para identificar circuitos neuronales y estudiar sus funciones. Sin embargo, la identificación inequívoca de la neurona registrada mediante conjuntos extracelulares multielectrodo sigue siendo un problema hasta la fecha.

Los MEA in vitro son menos adecuados para registrar y estimular células individuales debido a su baja resolución espacial en comparación con los sistemas de patch clamp y dynamic clamp . La complejidad de las señales que un electrodo MEA puede transmitir eficazmente a otras células es limitada en comparación con las capacidades de los sistemas dynamic clamp.

También existen varias respuestas biológicas a la implantación de una matriz de microelectrodos, particularmente en lo que respecta a la implantación crónica. ^{[ 31 ]} Entre estos efectos, los más notables son la pérdida de células neuronales, la cicatrización glial y una disminución en el número de electrodos funcionales. ^{[ 32 ]} La respuesta tisular a la implantación depende de muchos factores, incluyendo el tamaño de los vástagos de la MEA, la distancia entre los vástagos, la composición del material de la MEA y el tiempo de inserción. La respuesta tisular se divide típicamente en respuesta a corto y largo plazo. La respuesta a corto plazo ocurre dentro de las horas posteriores a la implantación y comienza con un aumento de la población de astrocitos y células gliales alrededor del dispositivo. La microglia reclutada luego inicia la inflamación y comienza un proceso de fagocitosis del material extraño. Con el tiempo, los astrocitos y la microglia reclutados al dispositivo comienzan a acumularse, formando una vaina que rodea la matriz y se extiende decenas de micrómetros alrededor del dispositivo. Esto no solo aumenta el espacio entre las sondas de los electrodos, sino que también aísla los electrodos y aumenta las mediciones de impedancia. Los problemas con la implantación crónica de matrices han sido un factor determinante en la investigación de estos dispositivos. Un estudio novedoso examinó los efectos neurodegenerativos de la inflamación causada por la implantación crónica. ^{[ 33 ]} Los marcadores inmunohistoquímicos mostraron una presencia sorprendente de tau hiperfosforilada, un indicador de la enfermedad de Alzheimer , cerca del sitio de registro del electrodo. La fagocitosis del material del electrodo también plantea interrogantes sobre la respuesta de biocompatibilidad, que según la investigación ha sido mínima y prácticamente inexistente después de 12 semanas in vivo . La investigación para minimizar los efectos negativos de la inserción del dispositivo incluye el recubrimiento de la superficie de los dispositivos con proteínas que favorecen la adhesión neuronal, como la laminina , o sustancias que liberan fármacos. ^{[ 34 ] [ 13 ]}

La naturaleza de las redes neuronales disociadas no parece cambiar ni disminuir el carácter de su respuesta farmacológica en comparación con los modelos in vivo , lo que sugiere que los MEA pueden utilizarse para estudiar los efectos farmacológicos en cultivos neuronales disociados en un entorno más simple y controlado. ^{[ 35 ]} Se han realizado varios estudios farmacológicos utilizando MEA en redes neuronales disociadas, por ejemplo, estudios con etanol . ^{[ 36 ]} Se ha llevado a cabo una validación interlaboratorio utilizando MEA. ^{[ 37 ]}

Además, se llevó a cabo un amplio trabajo sobre diversos aspectos biofísicos de la función de la red, reduciendo fenómenos que habitualmente se estudian a nivel conductual al nivel de la red cortical disociada. Por ejemplo, la capacidad de dichas redes para extraer características espaciales ^{[ 38 ]} y temporales ^{[ 39 ]} de diversas señales de entrada, la dinámica de sincronización ^{[ 40 ]} , la sensibilidad a la neuromodulación ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]} y la cinética del aprendizaje mediante regímenes de bucle cerrado ^{[ 44 ] [ 45 ]} . Finalmente, la combinación de la tecnología MEA con la microscopía confocal permite estudiar las relaciones entre la actividad de la red y la remodelación sináptica ^{[ 11 ] .}

Los MEA se han utilizado para conectar redes neuronales con sistemas no biológicos como controlador. Por ejemplo, se puede crear una interfaz neuro-computadora utilizando MEA. Neuronas corticales de rata disociadas se integraron en un bucle de retroalimentación de estímulo-respuesta cerrado para controlar un animat en un entorno virtual. ^{[ 46 ]} Potter, Mandhavan y DeMarse también construyeron un sistema de estímulo-respuesta de bucle cerrado utilizando un MEA, ^{[ 47 ]} y Mark Hammond, Kevin Warwick y Ben Whalley en la Universidad de Reading . Alrededor de 300 000 neuronas de rata disociadas se colocaron en un MEA, que estaba conectado a motores y sensores de ultrasonido en un robot, y se condicionó para evitar obstáculos cuando se detectaban. ^{[ 48 ]} En esta línea, Shimon Marom y colegas del Technion conectaron redes neuronales disociadas que crecían en MEA a un robot Lego Mindstorms ; El campo visual del robot fue clasificado por la red, y se enviaron comandos a las ruedas del robot para que evitara por completo chocar con los obstáculos. ^{[ 38 ]} Este "vehículo Braitenberg" se utilizó para demostrar la indeterminación de la neuroingeniería inversa, mostrando que incluso en una configuración simple con acceso prácticamente ilimitado a cada pieza de información relevante, ^{[ 49 ]} era imposible deducir con certeza el esquema de codificación neuronal específico que se utilizó para controlar el comportamiento del robot.

Se han utilizado MEA para observar la activación de redes neuronales en cortes de hipocampo . ^{[ 50 ]}

Hay varias interfaces implantables que actualmente están disponibles para uso del consumidor, incluidos estimuladores cerebrales profundos , implantes cocleares y marcapasos cardíacos . La estimulación cerebral profunda (DBS) ha sido eficaz en el tratamiento de trastornos del movimiento como la enfermedad de Parkinson , ^{[ 51 ]} y los implantes cocleares han ayudado a muchos a mejorar su audición al asistir la estimulación del nervio auditivo . Debido a su notable potencial, los MEA son un área prominente de investigación en neurociencia. La investigación sugiere que los MEA pueden proporcionar información sobre procesos como la formación de la memoria y la percepción y también pueden tener valor terapéutico para afecciones como la epilepsia , la depresión y el trastorno obsesivo-compulsivo . Se han iniciado ensayos clínicos que utilizan dispositivos de interfaz para restaurar el control motor después de una lesión de la médula espinal o como tratamiento para la ELA en un proyecto llamado BrainGate (ver video demo: BrainGate ). Los MEA proporcionan la alta resolución necesaria para registrar señales variables en el tiempo, lo que les permite usarse tanto para controlar como para obtener retroalimentación de dispositivos protésicos, como demostraron Kevin Warwick , Mark Gasson y Peter Kyberd . ^{[ 52 ] [ 53 ]} La investigación sugiere que el uso de MEA puede ayudar a restaurar la visión estimulando la vía óptica . ^{[ 9 ]}