En un brillante quirófano en el centro de Londres, el neurocirujano Ahmed Toma hace una incisión en el lado de la cabeza de una mujer. Luego, perfora un pequeño agujero en su cráneo, revelando un vistazo del cerebro rosado y pulsante debajo.
Toma se está preparando para implantar un derivador para drenar el exceso de líquido cefalorraquídeo, un tratamiento rutinario para una condición llamada hidrocefalia de presión normal, en la que el líquido se acumula dentro del cráneo. Su paciente en el Hospital Nacional de Neurología y Neurocirugía (NHNN) también ha aceptado participar en un experimento: uno que implica colocar brevemente una sonda de un centímetro de largo, más delgada que un cabello humano, en su cerebro. Llamada Neuropixels, esta sonda está diseñada para registrar la actividad eléctrica de cientos de neuronas a la vez.
Mientras Toma y un equipo de investigadores insertan cuidadosamente la sonda en el cerebro del paciente, Mihaly Kollo, un científico investigador en el Instituto Francis Crick en Londres, se encuentra cerca, monitoreando una serie multicolor de salidas de los sitios de grabación de la sonda en tiempo real. Después de controlar el ruido eléctrico de la mesa de operaciones y otros equipos quirúrgicos, Kollo reproduce una secuencia de audio de términos repetidos —‘punto ciego’, ‘lugar de estacionamiento’, ‘alcancía’, y así sucesivamente— para examinar cómo el cerebro representa las transiciones entre estímulos y cómo son influenciadas por la frecuencia y la familiaridad. A medida que las palabras resuenan en el quirófano, algunas desencadenan perturbaciones cerebrales que recorren las formas de onda que representan la salida de la sonda, una clara señal de que está captando actividad.
Los científicos han realizado durante mucho tiempo experimentos durante la neurocirugía, que ofrece una rara oportunidad de acceder a un cerebro humano vivo (y a menudo despierto). Pero las sondas Neuropixels podrían proporcionar a los investigadores la vista más nítida del órgano hasta ahora.
Desde su debut en 2017, los Neuropixels han transformado la forma en que los neurocientíficos realizan experimentos de electrofisiología en animales, permitiéndoles registrar la actividad eléctrica de cientos, a veces incluso decenas de miles, de neuronas a la vez. Durante el último año, en el NHNN, que forma parte de los Hospitales de la Universidad College London, Kollo y sus colegas han estado colaborando con neurocirujanos como Toma para realizar grabaciones de Neuropixels en personas.
Existen otras formas de investigar la actividad de células individuales en grandes poblaciones de neuronas, como la imagenología de calcio, que rastrea el movimiento de los iones de calcio que ocurre cada vez que una neurona se activa. Pero estas técnicas pueden ser demasiado lentas para capturar los potenciales de acción en ciertas neuronas, o requieren sensores genéticamente codificados, limitando su uso en algunos organismos y excluyéndolo en humanos.
Para las personas, los investigadores se han basado principalmente en dispositivos que se colocan en la superficie del cerebro y miden la actividad a nivel de población, como la electrocorticografía de alta densidad. También ha habido durante mucho tiempo herramientas que pueden hacer un número relativamente pequeño de grabaciones a nivel de una sola célula, como la matriz de Utah, un diminuto dispositivo salpicado de agujas en miniatura que penetran aproximadamente un milímetro en el cerebro y que tiene 96 canales de grabación.
Pierre Bourdillon, un neurocirujano del Hospital de la Fundación Adolphe de Rothschild en París, compara el salto tecnológico para la neurociencia humana que permite Neuropixels con la diferencia entre intentar descifrar conversaciones desde un solo micrófono en una intersección concurrida y escuchar esas mismas discusiones usando micrófonos individuales adjuntos a los cuellos de los hablantes.
«Estamos empezando a llegar al nivel de micrófonos en personas individuales,» dice. «Para los animales no humanos, esta revolución comenzó hace unos 10-15 años.» Ahora estamos empezando a ver los primeros equipos utilizando este tipo de tecnología en humanos.
Grabación en masa
A poca distancia a pie del NHNN, en el hospital convertido en instituto de investigación conocido como el Cruciform Building en University College London, el neurocientífico Matteo Carandini está aplicando la versión más avanzada de la tecnología Neuropixels en organismos con cerebros mucho más pequeños.
Su equipo ha estado utilizando Neuropixels para registrar decenas de miles de neuronas en cerebros de ratones, a veces durante meses. En una soleada tarde de lunes en septiembre, me muestra la configuración de Neuropixels Opto. Esta versión de la tecnología, que él ha ayudado a desarrollar, combina el registro eléctrico con la optogenética, un método que permite a los investigadores encender y apagar neuronas con luz.
Carandini fue uno de los primeros neurocientíficos en utilizar Neuropixels, un dispositivo diseñado para la investigación en roedores. La idea comenzó con Tim Harris, un ingeniero biomédico que llegó al Janelia Research Campus del Howard Hughes Medical Institute en Ashburn, Virginia, en 2008 con la tarea de identificar y desarrollar herramientas que los investigadores necesitaban. Cuando les preguntó a sus colegas: ‘¿Qué quieres medir que no puedes?’, descubrió que les faltaban sondas para realizar experimentos de electrofisiología a gran escala y a largo plazo. En animales vivos, esto implica medir directamente las propiedades eléctricas de las neuronas.
En ese momento, los investigadores principalmente exploraban el cerebro con matrices de electrodos de cuatro hilos trenzados, que podían combinarse para registrar desde unas pocas docenas de canales a la vez, o sondas de silicio, que típicamente tenían alrededor de 32 sitios de grabación. Pero querían una visión más completa de cómo las células del cerebro trabajan juntas para realizar las funciones cruciales del órgano, y para eso necesitarían recopilar grabaciones de muchas más neuronas.
Después de intentar algunos diseños por su cuenta, Harris contactó al Centro Interuniversitario de Microelectrónica (Imec), un instituto de investigación en Lovaina, Bélgica, que ayudó a pionear algunos de los microchips más avanzados del mundo. Para sorpresa de Harris, Barun Dutta, científico jefe del centro de tecnología y sistemas de semiconductores de Imec, aceptó asumir la tarea.
Juntos, desarrollaron Neuropixels 1.0. La sonda de silicio comprende 960 sitios de grabación a lo largo del vástago delgado como un cabello. Cada uno de los canales de grabación era lo suficientemente pequeño como para capturar los potenciales de acción de neuronas individuales, y 384 de ellos podían leerse en paralelo. El vástago estaba conectado a un chip del tamaño de una tarjeta nano SIM, que contiene la electrónica necesaria para leer, amplificar y digitalizar las señales. Las salidas podían leerse con solo dos cables; este fue un gran avance en un momento en que la mayoría de los otros dispositivos requerían que cada canal de grabación tuviera su propio cable.
El equipo informó sobre su diseño en 2017. En ese artículo, Carandini y alrededor de tres docenas de neurocientíficos de varios laboratorios que habían probado el dispositivo demostraron que era posible insertar dos de estas sondas —cada una con un peso de aproximadamente 250 miligramos— en un ratón, lo que les permitía registrar alrededor de 700 neuronas en 5 regiones del cerebro al mismo tiempo.
Neuropixels 2.0, una sonda más pequeña y ligera con cuatro puntas y 5,120 sitios de grabación (1,536 de los cuales podían leerse a la vez), llegó cuatro años después. (Las sondas 1.0 y 2.0 están disponibles en Imec por aproximadamente 1,700 y 1,800 dólares estadounidenses cada una, respectivamente.)
Las sondas Neuropixels han transformado la forma en que se puede hacer neurociencia, dice Carandini, quien está utilizando las sondas para estudiar cómo el cerebro procesa y utiliza las señales sensoriales. Permitieron el seguimiento de potenciales de acción individuales de miles de neuronas a la vez y hicieron posible registrar en múltiples regiones del cerebro del ratón, que mide solo aproximadamente un centímetro de largo.
Usando Neuropixels, los investigadores han descubierto que las señales asociadas con ciertas funciones sensoriales, cognitivas y motoras están más ampliamente distribuidas en el cerebro de lo que se pensaba anteriormente. Estas sondas también han permitido a los científicos estudiar los conjuntos neuronales, los patrones únicos de actividad que se forman en poblaciones de células cerebrales.
Varios esfuerzos colaborativos conocidos como observatorios cerebrales, en los que múltiples equipos independientes realizan los mismos experimentos de manera estandarizada, han recopilado vastas cantidades de datos de Neuropixels. En un estudio de 2025, por ejemplo, una docena de laboratorios en los Estados Unidos y Europa, conocidos como el Laboratorio Internacional del Cerebro, se unieron para recopilar grabaciones de más de 620,000 neuronas en 279 regiones de 139 ratones. El resultado fue un mapa de la actividad neural en todo el cerebro para funciones tanto cognitivas como motoras, como la visión, el movimiento y la toma de decisiones.
Desde roedores hasta humanos
Alrededor de 1,700 laboratorios en todo el mundo han utilizado Neuropixels en más de dos docenas de especies, incluyendo pinzones cebra, dragones barbudos y pulpos. «Me quedé completamente sorprendido por la variedad de especies para las que los investigadores utilizaron estos,» dice Harris.
Los científicos que estudian primates no humanos estaban especialmente interesados: sus herramientas existentes o tenían muy pocos canales de grabación o solo podían acceder a las capas superficiales del cerebro. Harris, Dutta y sus colegas trabajaron con la comunidad de investigación para crear Neuropixels 1.0 NHP, que contaba con un vástago más grueso para penetrar la dura membrana alrededor del cerebro de los primates no humanos y, con 4 cm de longitud, podía registrar estructuras más profundas. (Estos cuestan alrededor de $4,200 cada uno, según Dutta.)
Tirin Moore, un neurocientífico de la Universidad de Stanford en California, que estuvo involucrado en ese esfuerzo, dice que antes de Neuropixels, los investigadores recopilaban grabaciones de alrededor de dos docenas de neuronas de primates no humanos en un buen día; ahora, rutinariamente registran al menos 100. Sin estas herramientas, la neurociencia de primates «seguiría en la Edad Media», dice. Moore y sus colegas planean usar las sondas NHP para crear un mapa de actividad neural de alta resolución del sistema visual de los monos macacos como parte del Proyecto Enigma, una iniciativa con sede en Stanford para registrar y decodificar el cerebro.
Mientras tanto, otros investigadores han adaptado los Neuropixels para su uso en humanos. En 2022, grupos del Hospital General de Massachusetts en Boston y de la Universidad de California, San Francisco, informaron de manera independiente sobre el uso exitoso de estas herramientas durante la cirugía cerebral, tanto en personas anestesiadas como despiertas. Los equipos utilizaron una versión modificada de los Neuropixels de 1 cm con un vástago ligeramente más grueso, para recopilar grabaciones de piezas de cerebro que serían dañadas o removidas durante procedimientos como la excisión de tejido que causa convulsiones o la implantación de un estimulador cerebral profundo para tratar trastornos del movimiento.
Los Neuropixels han proporcionado a los investigadores «los datos de mayor resolución que hemos visto del cerebro humano», dice el neurocirujano Edward Chang, quien lideró el equipo en la Universidad de California, San Francisco. «Ha sido una tecnología completamente revolucionaria.»
Los investigadores están utilizando estas herramientas para desentrañar el código neural que subyace en la percepción y producción del habla, trabajando para identificar las señales responsables de comprender el lenguaje, hasta el nivel de consonantes y vocales. «Ahora sabemos, a nivel de una sola célula, cómo es este código del habla,» dice Chang. «Nos llevará años descifrarlo.»
Pero usar Neuropixels en humanos presenta algunos desafíos únicos, dice Angelique Paulk, una neurocientífica que forma parte del equipo de Massachusetts General. Las personas son mucho más variables que los animales de laboratorio. Los roedores, especialmente, pueden ser diseñados para ser genéticamente idénticos y criados bajo las mismas condiciones. El cerebro humano también se mueve mucho más que el de un roedor — esto es imposible de no notar en el quirófano, donde el cerebro palpita notablemente con cada latido. Otro gran desafío, dice Paulk, fue mitigar el ruido eléctrico del quirófano, donde el equipo puede interferir con las fugaces señales eléctricas que se están registrando.
Dutta dice que el número de equipos de investigación que utilizan Neuropixels en los quirófanos se más que duplicará en el próximo año, de 8 a 20. Y al menos un grupo ha utilizado la sonda más larga de 4 cm en personas. Pero la implementación de los protocolos ha tardado más en algunos lugares que en otros. En el Reino Unido, por ejemplo, Kollo y sus colegas pasaron dos años completando montañas de papeleo para obtener la aprobación regulatoria para llevar a cabo este trabajo. Y los experimentos requieren que los investigadores, cirujanos y otro personal del quirófano trabajen en sincronía y estén preparados para manejar posibles complicaciones, como la fractura del vástago de la sonda, que, aunque rara, es la principal preocupación de seguridad.
Por el momento, los experimentos con Neuropixels están limitados a sesiones breves y únicas. Los dispositivos conocidos como electrodos de película delgada, en los que los electrodos están incrustados en una lámina similar a envoltura de plástico, son actualmente más adecuados para la implantación a largo plazo, dice Paulk. Estos pueden moverse con el cerebro, reduciendo los artefactos relacionados con el movimiento, y presentan menos riesgo de daño tisular porque permanecen en la superficie del cerebro, explica Paulk. La compensación es que estas sondas carecen de la densidad y resolución que proporciona Neuropixels. Aún así, varias empresas han desarrollado dispositivos de película delgada, y algunos, como el de Neuralink en Fremont, California, están siendo probados para uso clínico.
Mientras tanto, Harris y Dutta están trabajando arduamente en la próxima generación de sondas: Neuropixels 3.0, que el equipo espera que pueda registrar de 10,000 a 20,000 neuronas en roedores y de 30,000 a 50,000 en primates no humanos.
Después de eso, han puesto su mira en otros objetivos: integrar la tecnología similar a Neuropixels con la estereoelectroencefalografía, un procedimiento quirúrgico que implica la implantación de electrodos delgados para monitorear la actividad de las convulsiones durante varios días, y desarrollar sondas de lectura-escritura, que pueden tanto registrar la actividad neuronal como estimular el cerebro al mismo tiempo. Neuropixels-Opto es una de esas sondas, pero la optogenética puede ser difícil de realizar en monos y humanos, en parte porque requiere modificación genética.
Grandes ambiciones
Por ahora, Kollo y sus colegas del Crick y del NHNN están adaptando su flujo de trabajo a diferentes procedimientos quirúrgicos.
En septiembre, realizaron las primeras grabaciones durante una lobectomía temporal. La operación de un día para extirpar parte del cerebro responsable de las convulsiones persistentes en una mujer con epilepsia resistente al tratamiento involucró a un gran equipo, incluidos neurocirujanos nuevos en el protocolo Neuropixels.
Realizar el procedimiento por primera vez implica resolver problemas: averiguar dónde colocar el brazo metálico que sostiene la sonda, por ejemplo, e identificar fuentes de ruido electrónico. Y como las lobectomías implican la extracción de parte del cráneo, el cerebro se mueve más de lo que lo haría durante otras operaciones, lo que dificulta la obtención de una señal clara. Además, el equipo tiene solo 30 minutos, el máximo que se les permite extender la operación.
William Muirhead, un neurocirujano que co-lidera el proyecto Neuropixels con Kollo, dice que su equipo en los Hospitales del University College London comenzará pronto a recopilar grabaciones en pacientes despiertos —específicamente, aquellos que se someten a talamotomías (procedimientos que destruyen parte del tálamo) por trastornos del movimiento.
«Es un sueño que podamos registrar grandes poblaciones de neuronas en humanos mientras están pensando y haciendo cosas,» dice Kollo, quien pronto se unirá al Sainsbury Wellcome Centre en Londres como líder de grupo en fisiología humana. «Estoy realmente feliz de vivir en esta época.»
Diana Kwon
