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Nuestros sistemas sensoriales son extremadamente adaptables. Una persona que no puede ver después de apagar las luces por la noche, poco a poco va adquiriendo una capacidad superior para ver incluso objetos pequeños. Las mujeres suelen desarrollar un mayor sentido del olfato durante el embarazo. ¿Cómo puede el mismo sistema sensorial que tuvo un desempeño inferior superar también las expectativas basadas en su desempeño anterior?
A medida que la naturaleza ha ido perfeccionando sus sistemas sensoriales a lo largo de escalas de tiempo evolutivas, un equipo interdisciplinario de investigadores de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis utilizó estas capacidades para adaptar el sistema a su máximo rendimiento cuando fuera necesario. Sus herramientas para lograr este objetivo: langostas y nanomateriales que son demasiado pequeños para verse.
Srikanth Singamaneni y Barani Raman, ambos profesores de la Escuela de Ingeniería McKelvey, lideraron un equipo que aprovechó el poder de nanoestructuras especialmente diseñadas que pueden absorber luz y generar calor, conocido como efecto fototérmico, y actuar como contenedores para almacenar y liberar productos químicos. demanda. Utilizaron estos materiales nanoestructurados para potenciar la respuesta neuronal del cerebro del saltamontes a determinados olores y mejorar su identificación. Los resultados de la investigación se publicaron el 25 de enero de 2024 en Nature Nanotechnology.
Singamaneni, Lilyan & E. Lisle Hughes, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales, y Raman, profesor de Ingeniería Biomédica, han trabajado durante años con Shantanu Chakrabartty, profesor Clifford W. Murphy en el Departamento de Preston M. Green, en electricidad. ingeniería e ingeniería de sistemas para explotar las capacidades sensoriales superiores del sistema olfativo de la langosta. Recientemente, demostraron la viabilidad de utilizar una nariz electrónica biohíbrida para detectar vapores explosivos.
«Dejamos a la biología la tarea más difícil de convertir información sobre sustancias químicas vaporosas en una señal neuronal eléctrica.dijo Ramán. “Estas señales se registran en las antenas de los insectos y se transmiten al cerebro. Podemos colocar electrodos en el cerebro, medir la respuesta neuronal de las langostas a los olores y utilizarlos como huellas dactilares para distinguir entre sustancias químicas.«.
Si bien la idea es sólida, presenta un obstáculo potencial.
««Estamos limitados por la cantidad de electrodos y dónde podemos colocarlos», dijo Singamaneni. «Dado que sólo recibimos una señal parcial, queremos amplificar esta señal». Aquí utilizamos calor y neuromodulación para amplificar la señal recibida.«
En la nueva investigación, el equipo utilizó dos estrategias para mejorar la capacidad de los saltamontes para detectar olores. Primero, el equipo desarrolló una nanopartícula de polidopamina biocompatible y biodegradable que convierte la luz en calor mediante un proceso llamado efecto fototérmico.
“El calor afecta la difusión,dijo Ramán.Imagínese agregar leche fría al café caliente. La idea es utilizar el calor generado por las nanoestructuras, por ejemplo, para calentar localmente un nanocalentador y aumentar la actividad neuronal.«
En segundo lugar, estos materiales nanoestructurados se pueden fabricar para cargar productos químicos para su almacenamiento. Sin embargo, deben estar encapsulados por un material de cobertura. El equipo utilizó un material de cambio de fase llamado tetradecanol, que es sólido a temperatura ambiente y se convierte en líquido cuando se calienta. Cuando se calientan, estos mismos nanocalentadores, además de producir calor, también liberan las sustancias químicas almacenadas en su interior.
Singamaneni y el equipo almacenaron octopamina, un neuromodulador implicado en diversas funciones, y la liberaron cuando era necesario. Normalmente, estos neuromoduladores se liberan en función de las necesidades del organismo. Sin embargo, utilizando elementos calefactores nanoestructurados, se liberaron cuando fue necesario para amplificar las señales neuronales.
«Nuestro estudio presenta una estrategia genérica para amplificar reversiblemente las señales neuronales en el sitio del cerebro donde colocamos los electrodos.dijo Ramán.
«La estrategia de neuromodulación basada en nanotecnología que desarrollamos abre nuevas posibilidades para implementar enfoques de detección química personalizados para cyborgs.dijo Prashant Gupta, estudiante de posgrado en el laboratorio de Singamaneni y autor principal del artículo.Este enfoque transformaría un enfoque pasivo existente, en el que la información simplemente se lee, en un enfoque activo, en el que las capacidades de los circuitos neuronales se utilizan plenamente como base para el procesamiento de la información.»
Gupta P, Chandak R, Debnath A, Traner M, Watson BM, Huan H, Gholami Derami H, Baldi H, Chakrabartty S, Raman B, Singamaneni S. Aumento del rendimiento olfativo de los insectos mediante nanoneuromodulación. Nanotecnología natural, 25 de enero de 2024, https://doi.org/10.1038/s41565-023-01592-z
La financiación para esta investigación fue proporcionada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (#FA95501910394) y la Oficina de Investigación Naval (#N000142112343).
Fuente: https://wustl.edu/
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