OpenDrive: An Open-Source Microdrive for Large-Scale Neurophysiology

Para comprender la mente humana, los científicos suelen escuchar los susurros eléctricos de las células cerebrales individuales. Durante décadas, esta escucha requirió un trabajo delicado y manual, en el que los investigadores introducían cables delgados en el cerebro uno por uno para captar las señales de unas pocas neuronas a la vez. Una nueva generación de herramientas ha cambiado este panorama. Se trata de sondas largas y delgadas equipadas con cientos de diminutos sensores, capaces de registrar miles de neuronas simultáneamente desde lo profundo del cerebro. Esta tecnología ofrece la oportunidad de escuchar la conversación completa del cerebro en lugar de solo unas pocas voces aisladas. Sin embargo, estas nuevas sondas son frágiles y requieren un nivel de precisión que el equipo de laboratorio estándar no puede proporcionar fácilmente. Deben bajarse en línea recta, sin tambalearse, y mantenerse perfectamente inmóviles durante horas. Sin una herramienta especializada que las guíe, el riesgo de dañar la sonda o el cerebro es alto, y la capacidad de utilizar estos potentes dispositivos en animales grandes, como los monos, sigue siendo limitada.

Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología del Massachusetts ha construido una solución a este problema llamada OpenDrive. Es una máquina fabricada a medida diseñada específicamente para introducir estas delicadas sondas en los cerebros de animales grandes con una estabilidad extrema. El equipo creó un sistema que no solo es altamente preciso, sino también abierto para que cualquiera pueda construirlo y mejorarlo, lo que contrasta fuertemente con las costosas máquinas comerciales que son difíciles de modificar. Su trabajo demuestra que un dispositivo de bajo costo y construido por la comunidad puede funcionar tan bien como, y en algunos aspectos mejor que, las costosas herramientas que actualmente venden las empresas de instrumentos científicos. Al compartir sus diseños y software libremente, los investigadores esperan eliminar las barreras financieras y técnicas que han impedido que muchos laboratorios utilicen esta tecnología transformadora.

El sistema OpenDrive consta de dos partes principales: una consola de control y los microdrives propiamente dichos. La consola actúa como el cerebro de la operación, recibiendo comandos de una pantalla de computadora y enviándolos a los drives. Los drives son motores pequeños y ligeros que elevan y bajan físicamente las sondas. Lo que hace que este diseño sea único es su enfoque en la simplicidad y la estabilidad. Los drives están construidos alrededor de un riel de metal recto, similar al riel suave utilizado en los cajones deslizantes, lo que obliga a la sonda a moverse en una línea perfectamente recta. Este diseño evita que la sonda se balancee o rote mientras entra en el cerebro. El drive completo pesa solo unos 30 gramos, aproximadamente el peso de una manzana pequeña, lo que ayuda a evitar que sacuda la cabeza del animal durante el registro. El sistema también está diseñado para sostener múltiples sondas a la vez; los investigadores han logrado introducir hasta nueve sondas simultáneamente en el cerebro de un solo animal, lo que permite escuchar muchas regiones cerebrales diferentes al mismo tiempo.

Para demostrar que su máquina funcionaba, el equipo sometió a OpenDrive a una serie de pruebas rigurosas contra dos populares máquinas comerciales. Acoplaron un láser a la parte móvil de cada máquina y observaron dónde aterrizaba el haz de luz en un sensor mientras la máquina descendía. Si la máquina se tambaleaba, el punto del láser bailaba en un círculo amplio. Las máquinas comerciales mostraron un balanceo significativo, con el punto del láser moviéndose considerablemente fuera de curso. En contraste, el OpenDrive mantuvo el punto del láser casi perfectamente quieto, moviéndose menos de 3 micrómetros. Esto significa que la nueva máquina redujo el temblor lateral en más del 95 por ciento en comparación con las opciones comerciales. El equipo también midió con qué precisión se movían una distancia específica. Encontraron que OpenDrive era tan preciso como la mejor máquina comercial y mucho más exacto que la otra, con errores tan pequeños que apenas eran mensurables.

Más allá de las pruebas de laboratorio, los investigadores utilizaron OpenDrive en experimentos reales con un mono rhesus. Lograron introducir sondas en diversas partes del cerebro, incluyendo estructuras profundas como el tálamo y el cerebelo, así como las capas externas del cerebro. En estas sesiones, la máquina mantuvo las sondas estables durante horas, permitiendo al equipo registrar la actividad de miles de neuronas sin que las señales se desenfocaran. El sistema también incluye un software que permite a los investigadores ver exactamente dónde se encuentra la sonda dentro del cerebro en tiempo real, superponiendo la trayectoria de la sonda sobre un mapa 3D del cerebro del animal. Esta guía visual ayuda a los científicos a apuntar a objetivos específicos con confianza.

La importancia de este trabajo se extiende más allá del rendimiento de la máquina en sí. Durante años, las herramientas necesarias para este tipo de investigación han sido costosas y cerradas, lo que significa que si un laboratorio quería cambiar una pieza o solucionar un problema, tenía que esperar al fabricante o comprar una unidad nueva y costosa. OpenDrive es diferente porque cada parte de él es de código abierto. Los planos, el código y las instrucciones están disponibles para que cualquiera pueda descargarlos, construirlos y mejorarlos. El costo total para construir un sistema completo es de unos 5,000 dólares, una fracción de los 50,000 dólares requeridos para sistemas comerciales comparables. Al hacer que estas herramientas sean accesibles y modificables, los investigadores invitan a la comunidad científica global a colaborar en el hardware mismo. Creen que cuando los científicos pueden compartir y mejorar sus herramientas abiertamente, el ritmo del descubrimiento se acelera, permitiendo que más laboratorios exploren el complejo funcionamiento del cerebro con la tecnología más avanzada disponible.