Los electrodos de película delgada microfabricados muestran una promesa terapéutica
En un estudio reciente realizado por un equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y la Universidad de California, San Francisco, los investigadores encontraron que la flexibilidad de los microelectrodos de película delgada desarrollados por LLNL, combinada con una mayor -Density Grid Spacing, proporciona mayores niveles de detalle sobre cómo funciona el cerebro, al tiempo que proporciona la capacidad de estimular las áreas del cerebro afectadas por la epilepsia y otros trastornos neurológicos. Crédito: Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
A principios de este año, las matrices de microrredes de película delgada desarrolladas en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y utilizadas en los pacientes del neurólogo Jon Kleen en la Universidad de California, San Francisco (UCSF) demostraron que la actividad cerebral del hipocampo consistía en ondas que viajaban bidireccionalmente durante las tareas de comportamiento. Estas matrices de microrredes de película delgada están diseñadas no solo para sentarse en la superficie del cerebro, como lo hicieron al medir las ondas cerebrales del hipocampo, sino que son lo suficientemente flexibles para hacer un contacto íntimo con la topografía de la superficie del cerebro.
Más recientemente, en un artículo publicado en el Journal of Neural Engineering, los investigadores descubrieron que esta flexibilidad, combinada con un espaciado de cuadrícula de mayor densidad, brinda mayores niveles de detalle sobre cómo funciona el cerebro, al tiempo que brinda la capacidad de estimular áreas del cerebro afectado por la epilepsia y otros trastornos neurológicos. El artículo fue escrito por los investigadores de la UCSF Kristen Sellers, Jason Chung y Heather Dawes del laboratorio de Edward Chang; y los investigadores del LLNL, Jenny Zhou y Michael Triplett, que trabajan con el líder del Grupo de Microsistemas Implantables, Razi Haque.
Los arreglos de superficie de microelectrocorticografía de película delgada contienen 32 electrodos y tienen un diámetro de 1,2 mm, con un paso (el distancia entre sus centros) de solo 2 mm, proporcionando un mayor nivel de especificidad espacial y localización que los conjuntos de electrodos comerciales. Debido a que la flexibilidad y el tamaño de los arreglos de película delgada tienen el potencial de agregar docenas de electrodos más a un arreglo, los autores argumentan que el enfoque de fabricación y ensamblaje descrito muestra una gran promesa para adquirir información única que permitirá una orientación espacial refinada y personalizable de diferentes áreas del cerebro con implicaciones para aplicaciones clínicas y de investigación, incluida la estimulación intracraneal.
«La estrecha colaboración entre UCSF y LLNL permite ciclos rápidos de iteraciones de diseño y pruebas intraoperatorias, aclarando qué características de los arreglos se pueden optimizar para medir y comprender mejor la actividad cerebral», anotó Sellers.
El método de microfabricación de LLNL distingue estas matrices de película delgada de sus contrapartes comerciales: se forman a través de un proceso 2.5D en el que las capas planas de materiales, en este caso polímeros y metales, son depositados de acuerdo con un patrón y luego grabados para definir su forma final como dispositivos funcionales. Debido a que se pueden fabricar muchos electrodos pequeños de película delgada a la vez a través de esta técnica de producción, son esencialmente idénticos, por lo que, según los autores, «exhiben una excelente consistencia de electrodo a electrodo y de dispositivo a dispositivo», lo que proporciona mayor precisión tanto en la detección como en la orientación de las diferentes áreas del cerebro que se están estudiando.
Los datos de los investigadores sugieren que los nuevos arreglos de película delgada transmiten señales de mayor calidad que sus contrapartes comerciales, en parte porque la mayor flexibilidad ayuda a que el electrodo se adapte mejor a la corteza cerebral, lo que establece un contacto más íntimo entre el cerebro y la matriz para que la actividad neuronal se transmita más fácilmente entre los dos. Asimismo, la transmisión se ve favorecida por la rigidez uniforme de la película delgada, atribuible a que los conductores metálicos en los electrodos se distribuyen uniformemente en lugar de estar intercalados en forma de metal a granel, lo que en las matrices comerciales contribuye a la rigidez variable y más extrema que evita que se acuesten. plana en la superficie del cerebro. Según los investigadores, la flexibilidad que permite un mejor contacto con la corteza también permite que la matriz se moldee en forma cilíndrica para que pueda insertarse en el cerebro.
Evaluar las capacidades comparativas de las matrices de electrodos comerciales en comparación con las matrices de película delgada, los investigadores recopilaron datos de cuatro pacientes con convulsiones refractarias que se preparaban para someterse a una cirugía para controlar la epilepsia del lóbulo temporal.
Se colocaron matrices de superficie de 32 electrodos en tres pacientes para realizar pruebas y las matrices de profundidad cilíndrica también con 32 contactos fueron probadas en tres pacientes. Los experimentadores encontraron que «las señales entre contactos adyacentes en la misma fila o columna de la matriz de superficie, con un paso de 2 mm, tenían coeficientes de correlación inferiores a 1, lo que indica que incluso durante la actividad en estado de reposo altamente correlacionada, esta densidad de electrodos registró información única. «
Para probar si una densidad aún mayor de electrodos proporcionaría más información, los autores compararon electrodos más cercanos y más espaciados en las matrices de superficie (pares adyacentes frente a pares situados en diagonal) y encontraron que las diferencias eran significativas. Los investigadores concluyeron que los estudios futuros pueden proporcionar nueva información a partir de conjuntos de superficies más estrechamente dispuestos. Un análisis similar entre matrices de profundidad también mostró que se registró una cantidad significativa de información nueva cuando se ajustó el paso de profundidad de la matriz. Los electrodos insertados más profundamente en el cerebro proporcionaron información diferente que los electrodos adyacentes a menor profundidad.
Mientras que un Una variedad de consideraciones, como las diferencias cerebrales individuales, pueden influir en la respuesta a la estimulación eléctrica, los resultados sugieren que el tamaño de los electrodos de película delgada generalmente permite obtener datos más granulares y una mejor estimulación tisular dirigida. Como lo expresaron los autores, «nuestros estudios intraoperatorios de detección y estimulación realizados en cuatro pacientes humanos demostraron que estas matrices de mayor densidad proporcionaron información detectada adicional y un mayor control sobre la dispersión espacial de la estimulación». Los investigadores consideraron importantes los hallazgos porque el uso de la electrocorticografía con fines de diagnóstico y estimulación terapéutica se ha visto obstaculizado por el gran tamaño (y la correspondiente menor densidad) de los electrodos comerciales. La microfabricación de conjuntos de electrodos de película delgada puede abordar estos problemas de escalabilidad, como argumenta el documento.
El trabajo es la culminación de años de esfuerzos que forman parte del programa SUBNETS (Neurotecnología basada en sistemas para terapias emergentes) de DARPA (Agencia de proyectos de investigación avanzada de defensa), creado originalmente para estudiar los trastornos del estado de ánimo como trastorno de estrés traumático (TEPT), depresión y ansiedad, así como dolor crónico. Esta investigación contribuye a los objetivos a largo plazo del programa SUBNETS al contribuir a un enfoque terapéutico de «bucle cerrado» en el que la estimulación neural terapéutica se activa solo cuando es necesario en lugar de estar «encendida» todo el tiempo, como en un circuito abierto. sistema. Los sistemas de circuito abierto pueden volverse ineficaces con el tiempo, a medida que el cerebro se aclimata al estímulo, y los efectos secundarios son más comunes en el enfoque de circuito abierto, según Haque. Las matrices implantables descritas en el documento permiten la personalización, lo que puede adaptarse y tratar mejor las necesidades individuales, como las destinadas a la investigación con financiación de SUBNETS.
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Los electrodos de película delgada revelan información clave sobre la actividad del cerebro humano Más información: Kristin K Sellers et al, Microfabricación de película delgada y pruebas intraoperatorias de matrices de profundidad ECoG e iEEG para sentido y estimulación, Journal of Neural Engineering (2021). DOI: 10.1088/1741-2552/ac1984 Información de la revista: Journal of Neural Engineering
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore Cita: Los electrodos de película delgada microfabricados muestran una promesa terapéutica (2 de diciembre de 2021) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-12-microfabricated-thin-film-electrodes-therapeutic.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.