Los implantes cerebrales de próxima generación con más de mil electrodos pueden sobrevivir durante más de seis años
Para demostrar la extrema flexibilidad de sus interfaces neuronales, los investigadores lo envuelven alrededor de un tubo de 2,5 mm. A pesar de su flexibilidad, la interfaz neuronal puede soportar el duro entorno de un cerebro durante más de seis años. Crédito: John Rogers, Universidad Northwestern
Los investigadores han demostrado la capacidad de implantar una interfaz neural flexible y ultradelgada con miles de electrodos en el cerebro con una vida útil proyectada de más de seis años. Protegido del entorno devastador de los procesos biológicos internos por menos de un micrómetro de material, el logro es un paso importante hacia la creación de interfaces neuronales de alta resolución que pueden persistir dentro de un cuerpo humano durante toda la vida.
Los resultados, que aparecen en línea el 8 de abril en la revista Science Translational Medicine, fueron publicados por un equipo de investigadores dirigido por Jonathan Viventi, profesor asistente de ingeniería biomédica en la Universidad de Duke; John Rogers, Profesor Louis Simpson y Kimberly Querrey de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Ingeniería Biomédica y Cirugía Neurológica en la Universidad Northwestern; y Bijan Pesaran, profesor de ciencias neuronales en la Universidad de Nueva York.
«Tratar de que estos sensores funcionen en el cerebro es como arrojar su teléfono inteligente plegable y flexible al océano y esperar que funcione durante 70 años». ‘, dijo Viventi. «Excepto que estamos fabricando dispositivos que son mucho más delgados y mucho más flexibles que los teléfonos actualmente en el mercado. Ese es el desafío».
El cuerpo humano es un lugar implacable para vivir si eres una persona no invitada. invitado, especialmente si está hecho de polímeros o metal. Además de los ataques de los tejidos circundantes y el sistema inmunitario, los objetos extraños deben poder resistir un ambiente corrosivo y salado.
Diseñar dispositivos eléctricos que puedan resistir este ataque es una perspectiva aún más desalentadora. Los dispositivos implantables a largo plazo actuales están casi universalmente sellados herméticamente dentro de una carcasa de titanio soldada con láser. Piense en un marcapasos, por ejemplo.
Esta interfaz neuronal de 1008 electrodos puede sobrevivir a la implantación dentro de un cerebro durante seis años, eliminando por completo las tecnologías anteriores. Uno de sus objetivos es crear un nuevo tipo de prótesis visual que interactúe directamente con el cerebro y que pueda restaurar al menos parte de la capacidad visual de las personas con nervios ópticos dañados. Pero dicho dispositivo también podría usarse para controlar otros tipos de prótesis o en una amplia gama de proyectos de investigación en neurociencia. Crédito: Charles Wang y Mackenna Hill, Universidad de Duke
«La construcción de recintos voluminosos herméticos para este tipo de implantes representa un nivel de desafío de ingeniería», dijo Rogers. «Estamos informando aquí el desarrollo exitoso de materiales que brindan niveles similares de aislamiento, pero con membranas delgadas y flexibles que son cien veces más delgadas que una hoja de papel».
Pero cuando se trata de la el cerebro humano, el espacio y la flexibilidad son esenciales. No hay lugar para dispositivos rígidos con paredes milimétricas. Estos desafíos significan que las interfaces neuronales existentes solo pueden muestrear alrededor de cien sitios, lo que palidece en comparación con las decenas de miles de millones de neuronas que componen el cerebro humano. Cualquier intento de hacer que estos dispositivos sean más grandes invariablemente se topa con el obstáculo de la logística del cableado, ya que cada sensor requiere su propio cable, las restricciones de tamaño se convierten rápidamente en un problema.
Viventi y sus colegas han estado trabajando en un enfoque diferente.
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«Debe mover la electrónica a los sensores mismos y desarrollar inteligencia local que pueda manejar múltiples señales entrantes», dijo Viventi. «Así es como funcionan las cámaras digitales. Puede tener decenas de millones de píxeles sin decenas de millones de cables porque muchos píxeles comparten los mismos canales de datos».
A través de su trabajo, los investigadores ya han demostrado la flexibilidad neuronal dispositivos de sólo 25 micrómetros de espesor con 360 electrodos. Pero los intentos anteriores de mantenerlos a salvo de daños dentro del cuerpo han fracasado, ya que incluso el defecto más pequeño puede frustrar todo el esfuerzo.
Un recorrido virtual que muestra cómo las interfaces neuronales flexibles con miles de electrodos podrían usarse en una amplia gama de aplicaciones desde el control de prótesis hasta tratamientos para trastornos neurológicos. Crédito: Charles Wang y Mackenna Hill, Universidad de Duke
«Probamos un montón de estrategias antes. Depositar polímeros tan delgados como se requería generaba defectos que los hacían fallar, y los polímeros más gruesos no tenían la flexibilidad que se requería. ‘, dijo Viventi. «Pero finalmente encontramos una estrategia que los supera a todos y ahora la hemos hecho funcionar en el cerebro».
Todo lo que se necesitó fue la perfección.
En el nuevo artículo, Viventi, Rogers , Pesaran y sus colegas demuestran que una capa de dióxido de silicio de crecimiento térmico de menos de un micrómetro de espesor puede protegerse del ambiente hostil dentro del cerebro, degradándose a una velocidad de solo 0,46 nanómetros por día. Y debido a que esta forma de vidrio es biocompatible, cualquier cantidad mínima que se disuelva en el cuerpo no debería crear ningún problema por sí misma.
También muestran que, aunque la encapsulación de vidrio no es conductora, los electrodos del dispositivo puede detectar la actividad neuronal a través de la detección capacitiva. Este es el mismo tipo de tecnología que puede detectar los movimientos de un dedo en la pantalla táctil de un teléfono inteligente. Implantaron una interfaz neuronal de 64 electrodos en una rata durante más de un año y una interfaz neuronal de 1008 electrodos en la corteza motora de un mono que llegaba a una pantalla táctil.
«Desplegar con éxito el dispositivo en monos que hacen humanos -como tareas es un gran salto adelante», dijo Perasan. «Ahora podemos refinar nuestra tecnología para ayudar a las personas que sufren trastornos cerebrales».
Una fotografía de la matriz Neural Matrix, que permite la microelectrocorticografía de alta resolución y a largo plazo. Crédito: C.-H. Chiang et al., Science Translational Medicine (2020)
Basándose en estos resultados y experimentos para calentar los dispositivos para simular períodos de tiempo más prolongados, los investigadores creen que sus dispositivos podrían soportar la implantación durante más de seis años.
Si bien estos resultados son enormes avances en comparación con los dispositivos de última generación actuales, no están ni cerca del nivel de las aspiraciones de los investigadores. El estudiante de Viventi está trabajando actualmente para escalar el prototipo de 1000 electrodos a más de 65 000. Y esperan que mediante el uso de fundiciones comerciales para fabricar los electrodos, que son muy superiores a sus propias capacidades, el rendimiento de su interfaz neuronal aumentará enormemente tanto en términos de calidad de la señal como de supervivencia dentro del cuerpo humano.
«Uno de nuestros objetivos es crear un nuevo tipo de prótesis visual que interactúe directamente con el cerebro y que pueda restaurar al menos parte de la capacidad visual de las personas con nervios ópticos dañados», dijo Viventi. «Pero también podemos usar este tipo de dispositivos para controlar otros tipos de prótesis o en una amplia gama de proyectos de investigación en neurociencia».
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Los ingenieros imprimen en 3D implantes cerebrales blandos y gomosos Más información: C.-H. Chiang el al., «Desarrollo de una interfaz neuronal para el registro de alta definición a largo plazo en roedores y primates no humanos», Science Translational Medicine (2020). stm.sciencemag.org/lookup/doi/ … scitranslmed.aay4682 Información de la revista: Science Translational Medicine
Proporcionado por la Universidad de Duke Cita: Los implantes cerebrales de próxima generación con más de mil electrodos pueden sobrevivir durante más de seis años (2020, 8 de abril) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-04-next-generation-brain-implants-thousand-electrodes.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.