Crean un biosensor cuántico que escucha lo que dice el cerebro

Investigadores de la Universidad de Purdue (USA) han creado un biosensor cuántico que es capaz de "escuchar" las comunicaciones internas del cerebro y tal vez de recuperar información de un cerebro dañado.

El biosensor se entera de lo que está diciendo el cerebro al sistema nervioso a través de los átomos de las neuronas implicadas en la liberación de neurotransmisores, que permiten la comunicación química entre neuronas.

El cerebro realiza la comunicación entre neuronas mediante mensajeros químicos que envían la información a otras neuronas del sistema nervioso para organizar las reacciones orgánicas. Esos mensajeros químicos se liberan cuando el impulso nervioso llega a los átomos (iones) de una neurona, que son los que liberan a los neurotransmisores.

Al tener acceso a los átomos que sirven de base a los mensajes cerebrales, este biosensor es capaz de “pensar” como lo hace el cerebro. Según los investigadores,  eventualmente podría también en el futuro interactuar y tal vez modificar el comportamiento o reacciones cerebrales.

El biosensor se llama cuántico porque tiene propiedades electrónicas que no pueden explicarse por la física clásica. Esta característica le da una ventaja única sobre otros materiales utilizados en la electrónica (como el silicio): el biosensor no usa electrones para la comunicación, sino los átomos (iones) de las neuronas que utiliza el cerebro para comunicarse con el sistema nervioso.

Lenguaje iónico

El biosensor usa como lengua franca (la forma tácita de comunicación entre personas que no tienen la misma lengua materna) la corriente iónica, que se genera en el momento de impulsar a los neurotransmisores al espacio sináptico, donde se produce el intercambio de información entre neuronas.

Al tener esta capacidad iónica, el cerebro puede detectar iones y en consecuencia las concentraciones de moléculas que delatan el estado de salud de un organismo: es mucho más sensible a los signos tempranos de enfermedades neurológicas como el Parkinson.

A la larga, este material podría incluso conseguir la capacidad de "descargar" la información contenida en el cerebro, dicen los investigadores. "Imagina que ponemos un dispositivo electrónico en el cerebro, para que cuando las funciones naturales del cerebro empiecen a deteriorarse, una persona pueda recuperar los recuerdos a través  de ese dispositivo", explica Shriram Ramanathan, uno de los investigadores, en un comunicado.

"Podemos decir con confianza que este material es una vía potencial para construir un dispositivo informático que almacene y transfiera memorias", añade.

Dos moléculas

Los investigadores probaron este material con dos moléculas neurotransmisoras: la glucosa, un azúcar esencial para la producción de energía, y la dopamina, un mensajero químico que regula el movimiento, las respuestas emocionales y la memoria.

Debido a que las cantidades de dopamina son típicamente bajas en el cerebro, e incluso más bajas para las personas con enfermedad de Parkinson, la detección de este químico ha sido notoriamente difícil. Pero detectar los niveles de dopamina en forma temprana significaría un tratamiento más rápido de la enfermedad. Y eso podría conseguirlo este biosensor cuántico.

"Este material cuántico es aproximadamente nueve veces más sensible a la dopamina que los métodos que usamos actualmente en modelos animales", añade Alexander Chubykin, otro de los investigadores.

Sensibilidad electrónica

El material cuántico debe esta sensibilidad a las fuertes interacciones que se producen dentro de un sistema cuántico mediante la  correlación electrónica  (interacción entre electrones).

Los investigadores descubrieron por primera vez que cuando colocaban el biosensor cuántico en contacto con las moléculas de glucosa, capturaba espontáneamente el hidrógeno de la glucosa a través de una enzima. Lo mismo sucedió con la dopamina liberada de una porción de cerebro de ratón.

Esta fuerte afinidad con el hidrógeno de la glucosa permite que el biosensor pueda detectar los átomos indicadores de una enfermedad temprana. Y lo más relevante: puede conseguirlo sin una fuente adicional de energía.

"El hecho de que no hayamos suministrado energía al biosensor cuántico para que detecte hidrógeno significa que representa  una electrónica de muy baja potencia con una alta sensibilidad", explica Ramanathan. "Esto también podría ser útil para sondear entornos inexplorados".

Los investigadores también dicen que este material podría detectar los átomos de una gama más amplia de moléculas, más allá de la glucosa y la dopamina. El siguiente paso es crear una nueva forma para que el biosensor "responda" al cerebro y tal vez influya en su comportamiento.

Referencia

Perovskite nickelates as bio-electronic interfaces. Hai-Tian Zhang et al. Nature Communications, volume 10, Article number: 1651 (2019). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-019-09660-6