Una tecnología óptica promete revelar secretos del cerebro y el corazón
Nuevos materiales semiconductores de un solo átomo de grosor pueden detectar señales eléctricas en células sin necesidad de electrodos ni colorantes. Esta tecnología cuántica promete revolucionar la neurociencia y la cardiología al permitir mediciones rápidas y no invasivas.
Innovación cuántica en biomedicina: una tecnología óptica promete revelar secretos del cerebro y el corazón. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Creado: 4.03.2025
Durante décadas, la forma más precisa de registrar la actividad eléctrica de células como las neuronas y las fibras del corazón ha sido introducir diminutos electrodos en los tejidos vivos. Es un método efectivo, pero invasivo, que puede causar daño celular y no permite abarcar grandes áreas del tejido simultáneamente. Por otro lado, técnicas ópticas como el uso de colorantes fluorescentes han intentado ofrecer una alternativa menos intrusiva, aunque con limitaciones en la precisión de las mediciones.
Ahora, un equipo de investigadores ha logrado un avance significativo: han descubierto que ciertos materiales semiconductores de un solo átomo de grosor pueden detectar señales eléctricas de las células utilizando únicamente luz. Esta nueva técnica podría transformar la forma en que estudiamos el funcionamiento del cerebro, el corazón y otros órganos excitables, proporcionando mediciones rápidas, precisas y sin contacto directo.
Los límites de las técnicas tradicionales
El estudio de la actividad eléctrica celular es clave en neurociencia y cardiología. Cada pensamiento, movimiento o latido del corazón es impulsado por impulsos eléctricos que viajan a través de células especializadas. Capturar estos impulsos en tiempo real con alta precisión ha sido un desafío constante para los científicos.
Los microelectrodos son actualmente la herramienta más precisa, pero presentan varios inconvenientes. Implantar múltiples electrodos en un tejido vivo puede causar daño y alterar la propia actividad que se pretende estudiar. Además, su capacidad de medición está restringida a un número limitado de puntos, lo que impide obtener una imagen completa de la actividad eléctrica en grandes regiones del cerebro o del corazón.
Por otro lado, los métodos ópticos, como la fluorescencia con colorantes sensibles al voltaje, permiten observar grandes poblaciones celulares, pero tienen un problema fundamental: no detectan directamente los cambios de voltaje en las células, sino variaciones secundarias asociadas a estos. Esto introduce un margen de error y limita su precisión en estudios detallados.
Conocer la actividad eléctrica del cerebro es fundamental par entenderlo. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.Una nueva solución basada en materiales cuánticos
El equipo de investigación ha desarrollado un enfoque completamente diferente. En lugar de depender de electrodos o colorantes, aprovecharon las propiedades cuánticas de ciertos materiales ultrafinos para detectar señales eléctricas.
El material en cuestión es un semiconductor bidimensional, de un solo átomo de grosor, que tiene una propiedad especial: cuando se expone a un campo eléctrico, cambia entre dos estados electrónicos distintos. Estos estados, conocidos como excitones y triones, afectan la forma en que el material interactúa con la luz.Los excitones son pares electrón-hueco eléctricamente neutros.
Los triones son excitones que han capturado una carga adicional, volviéndose sensibles a los campos eléctricos.
La clave del método es que el material cambia espontáneamente entre excitones y triones en respuesta a la actividad eléctrica de las células cercanas. Esto permite registrar la actividad celular observando cambios en la luz emitida por el material, sin necesidad de electrodos ni colorantes.
En lugar de depender de electrodos o colorantes, aprovecharon las propiedades cuánticas de ciertos materiales ultrafinos para detectar señales eléctricas. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.Alta sensibilidad y aplicaciones en biomedicina
Uno de los puntos fuertes de este sistema es su alta sensibilidad. El semiconductor utilizado, una monocapa de sulfuro de molibdeno, tiene defectos estructurales naturales que favorecen la formación de triones, lo que lo hace excepcionalmente reactivo a los campos eléctricos generados por las células.
Gracias a esta propiedad, los investigadores pudieron registrar con gran detalle la actividad eléctrica de células del corazón en tiempo real. Los cambios en la emisión de luz del material proporcionaron información precisa sobre los impulsos eléctricos sin alterar el comportamiento celular.
Este avance abre la puerta a diversas aplicaciones biomédicas:
- Cartografiar disfunciones en redes neuronales y cardíacas, ayudando a comprender trastornos como la epilepsia o las arritmias.
- Explorar nuevas terapias de estimulación eléctrica, como la estimulación cerebral profunda para tratar enfermedades neurodegenerativas.
- Desarrollar materiales aún más sensibles, optimizando la detección de señales bioeléctricas sin interferencias externas.
d. El semiconductor utilizado, una monocapa de sulfuro de molibdeno, tiene defectos estructurales naturales que favorecen la formación de triones. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
Un paso adelante en la detección de señales biológicas
Este descubrimiento representa un avance clave en la intersección de la física cuántica y la biomedicina. El uso de semiconductores bidimensionales no solo mejora la sensibilidad de las mediciones eléctricas en células vivas, sino que también elimina la necesidad de técnicas invasivas.
El estudio, publicado en Nature Photonics, describe cómo esta tecnología puede aplicarse a diversas áreas de investigación biomédica. “Creemos que la sensibilidad de los excitones en semiconductores monocapa puede permitir la investigación de los circuitos del cerebro con alta resolución espacial y temporal”, afirmó el autor principal, Ertugrul Cubukcu.
Esta innovación podría marcar el inicio de una nueva era en la monitorización de la actividad eléctrica del cuerpo humano, con aplicaciones que van desde la investigación fundamental hasta el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas.
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Referencias
Cubukcu, E., et al. Trionic all-optical biological voltage sensing via quantum statistics. Nature Photonics (2025). https://www.nature.com/articles/s41566-025-01637-w
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