Nuevas redes de sensores registran señales del cerebro humano con una resolución sin precedentes

Un nuevo conjunto de sensores cerebrales puede registrar señales eléctricas directamente desde la superficie del cerebro humano con detalles sin precedentes. Los nuevos sensores cerebrales cuentan con rejillas delgadas, flexibles y densamente empaquetadas de 1024 o 2048 sensores de electrocorticografía (ECoG) integrados. Crédito: David Baillot/Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego

Un equipo de ingenieros, cirujanos e investigadores médicos ha publicado datos de humanos y ratas que demuestran que una nueva serie de sensores cerebrales pueden registrar señales eléctricas directamente desde la superficie de la cerebro humano con un detalle sin precedentes. Los nuevos sensores cerebrales cuentan con rejillas densamente empaquetadas de 1024 o 2048 sensores de electrocorticografía (ECoG) integrados. El artículo fue publicado por la revista Science Translational Medicine el 19 de enero de 2022.

Estas rejillas delgadas y flexibles de sensores ECoG, si se aprueban para uso clínico, ofrecerían a los cirujanos información de señales cerebrales directamente desde la superficie de la corteza cerebral en Resolución 100 veces mayor que la disponible hoy. El acceso a esta perspectiva altamente detallada sobre qué áreas específicas del tejido en la superficie del cerebro, o corteza cerebral, están activas y cuándo, podría brindar una mejor orientación para planificar cirugías para extirpar tumores cerebrales y tratar quirúrgicamente la epilepsia resistente a los medicamentos. A más largo plazo, el equipo está trabajando en versiones inalámbricas de estas redes ECoG de alta resolución que podrían usarse hasta por 30 días de monitoreo cerebral para personas con epilepsia intratable. La tecnología también tiene potencial para la implantación permanente para mejorar la calidad de vida de las personas que viven con parálisis u otras enfermedades neurodegenerativas que pueden tratarse con estimulación eléctrica, como la enfermedad de Parkinson, el temblor esencial y el trastorno neurológico del movimiento llamado distonía.

El proyecto está dirigido por el profesor de ingeniería eléctrica Shadi Dayeh en la Escuela de Ingeniería San Diego Jacobs de la Universidad de California. El equipo de ingenieros, cirujanos e investigadores médicos proviene de UC San Diego; Hospital General de Massachusetts; y Oregon Health & Science University.

Un nuevo conjunto de sensores cerebrales puede registrar señales eléctricas directamente desde la superficie del cerebro humano con un nivel de detalle sin precedentes. Los nuevos sensores cerebrales cuentan con rejillas densamente empaquetadas de 1024 o 2048 sensores de electrocorticografía (ECoG) integrados. Si se aprueba para uso clínico, estos sensores ofrecerían a los cirujanos información de señales cerebrales directamente desde la superficie de la corteza cerebral en una resolución 100 veces mayor que la que está disponible en la actualidad. Crédito: David Baillot/Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego

Electrocorticografía de próxima generación

El registro de la actividad cerebral a partir de rejillas de sensores colocados directamente en la superficie del cerebro, la electrocorticografía (ECoG) ya es de uso común como una herramienta de los cirujanos que realizan procedimientos para extirpar tumores cerebrales y tratar la epilepsia en personas que no responden a los medicamentos u otros tratamientos. El nuevo trabajo en Science Translational Medicine proporciona una amplia gama de datos revisados por pares que demuestran que las cuadrículas con 1024 o 2048 sensores se pueden usar para registrar y procesar de manera confiable señales eléctricas directamente desde la superficie del cerebro tanto en humanos como en ratas. A modo de comparación, las rejillas ECoG que se usan con más frecuencia en las cirugías actuales suelen tener entre 16 y 64 sensores, aunque las rejillas de grado de investigación con 256 sensores se pueden personalizar.

La posibilidad de registrar señales cerebrales a una resolución tan alta podría mejorar la capacidad de los cirujanos para extirpar la mayor cantidad posible de tumor cerebral y, al mismo tiempo, minimizar el daño al tejido cerebral sano. En el caso de la epilepsia, la capacidad de registro de señales cerebrales de mayor resolución podría mejorar la capacidad del cirujano para identificar con precisión las regiones del cerebro donde se originan los ataques epilépticos, de modo que estas regiones puedan eliminarse sin tocar las regiones cerebrales cercanas que no están involucradas en el inicio de los ataques. . De esta manera, estas cuadrículas de alta resolución pueden mejorar la preservación del tejido cerebral normal y en funcionamiento.

Demostrar que las cuadrículas ECoG con sensores en miles funcionan bien también abre nuevas oportunidades en neurociencia para descubrir una comprensión más profunda de cómo el funciones del cerebro humano. Los avances de la ciencia básica, a su vez, podrían conducir a mejores tratamientos basados en una mejor comprensión de la función cerebral.

Una nueva serie de sensores cerebrales puede registrar señales eléctricas directamente desde la superficie del cerebro humano con un nivel de detalle sin precedentes. Los nuevos sensores cerebrales cuentan con rejillas delgadas, flexibles y densamente empaquetadas de 1024 o 2048 sensores de electrocorticografía (ECoG) integrados. Crédito: David Baillot/Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego

Espacio de un milímetro frente a un centímetro

La grabación de señales cerebrales a mayor resolución se atribuye a la capacidad del equipo para colocar sensores individuales significativamente más cerca unos de otros sin creando interferencias problemáticas entre sensores cercanos. Por ejemplo, la cuadrícula de tres centímetros por tres centímetros del equipo con 1024 sensores registró señales directamente del tejido cerebral de 19 personas que aceptaron participar en este proyecto durante el «tiempo de inactividad» de sus cirugías cerebrales ya programadas relacionadas con cáncer o epilepsia. En esta configuración de cuadrícula, los sensores están separados por un milímetro entre sí. Por el contrario, las rejillas ECoG ya aprobadas para uso clínico suelen tener sensores que se colocan a un centímetro de distancia. Esto proporciona a las nuevas rejillas 100 sensores por unidad de área en comparación con 1 sensor por unidad de área para las rejillas utilizadas clínicamente, lo que ofrece una resolución espacial 100 veces mejor en la interpretación de señales cerebrales.

Sensores fabricados con nanovarillas de platino

Si bien el uso de sensores basados en platino para registrar la actividad eléctrica de las neuronas en el cerebro no es nuevo, el equipo de investigación está utilizando platino de una manera novedosa: barras de platino a nanoescala. La forma de nanovarilla ofrece más área de superficie de detección que los sensores planos de platino, lo que ayuda a que los sensores sean más sensibles. El sistema de detección se basa en el hecho de que el recuento de electrones en las nanovarillas de platino cambia en respuesta a las neuronas que se disparan en el cerebro.

Los iones cargados entran y salen de una neurona cuando se dispara. Este movimiento de iones cargados provoca cambios en el potencial de voltaje en el líquido cefalorraquídeo en el que se bañan las neuronas. Estos cambios en el potencial de voltaje en el tejido cerebral y el líquido cefalorraquídeo modifican el recuento de la población de electrones en las nanovarillas de platino mediante procesos de detección de carga. . De esta manera, los nanorods de platino registran casi en tiempo real y con alta precisión el disparo de las neuronas en la superficie de la corteza cerebral o cerca de ella.

Un nuevo conjunto de sensores cerebrales puede registrar señales eléctricas directamente desde la superficie. del cerebro humano con un nivel de detalle sin precedentes. Los nuevos sensores cerebrales cuentan con rejillas delgadas, flexibles y densamente empaquetadas de 1024 o 2048 sensores de electrocorticografía (ECoG) integrados. Crédito: David Baillot/Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego

Rejillas delgadas y flexibles de sensores en varios tamaños

El cerebro humano siempre está en movimiento. Con cada latido del corazón, por ejemplo, el cerebro se mueve con la sangre pulsante que fluye a través de él. Las rejillas de sensores basadas en nanovarillas de platino son más delgadas y flexibles que las rejillas ECoG aprobadas clínicamente de la actualidad. La delgadez y la flexibilidad permiten que las rejillas de los sensores se muevan con el cerebro, lo que permite una conexión más cercana y mejores lecturas. Además, las rejillas están fabricadas con pequeños orificios en forma de anillo que permiten el paso del líquido cefalorraquídeo. De esta manera, estos orificios de perfusión admiten una mejor interfaz entre la rejilla del sensor y la superficie del cerebro al permitir que el sensor desplace el fluido de manera fácil y segura.

Las nuevas rejillas de sensores cerebrales de nanovarillas de platino tienen un grosor de diez micrómetros, aproximadamente una décima parte del tamaño de un cabello humano y 100 veces más delgadas que las rejillas ECoG clínicamente aprobadas de un milímetro de grosor. Las nanovarillas están incrustadas en un material biocompatible transparente, suave y flexible llamado parileno que está en contacto directo con la superficie del cerebro. Las señales eléctricas viajan desde el cerebro a través del líquido cefalorraquídeo y alcanzan las superficies expuestas de las nanovarillas de platino que están empotradas dentro del parileno. Este diseño produce una red de sensores que forma una conexión estrecha y estable con la superficie del cerebro, mejorando la calidad de la señal.

El proceso de fabricación utilizado permite además una gran variedad de tamaños y formas, lo que abre nuevas posibilidades para una mayor y más personalizada cobertura cortical. Recolectar señales de áreas más grandes del cerebro al mismo tiempo podría revelar más misterios del cerebro.

A través de una estrecha colaboración entre ingenieros dirigidos por el profesor de ingeniería eléctrica Dayeh en UC San Diego y médicos dirigidos por el neurocirujano Ahmed Raslan en Oregon Health & Science University, el equipo ha implementado mejoras de diseño orientadas específicamente para uso clínico. Por ejemplo, las rejillas de sensores personalizadas se pueden imprimir con orificios especializados que permiten a los cirujanos insertar sondas exactamente en el lugar correcto y aplicar estimulación eléctrica directamente al tejido cerebral en lugares específicos. Con el objetivo de obtener la aprobación de cuadrículas ECoG de mayor resolución para uso clínico, Dayeh, Raslan y el coautor Youngbin Tchoe han cofundado una startup llamada Precision Neurotek Inc.

Un modelo reconstruido del cerebro de los pacientes y las ubicaciones de electrodos implantados. Los electrodos se implantaron cerca de la región de la mano y se estimuló el nervio periférico. Crédito: Y. Tchoe et al., Science Translational Medicine (2022)

Mapeo funcional más preciso

Uno de los desafíos de extirpar tumores cerebrales es que la presencia del tumor desencadena cambios en el cerebro, incluyendo cambiar qué áreas del cerebro están involucradas en qué funciones. Estos cambios hacen que sea fundamental para el equipo quirúrgico hacer un mapa personalizado de los «mapas funcionales» del cerebro del paciente para decidir dónde cortar y dónde no cortar mientras se extirpa la mayor cantidad de tumor posible.

Los autores del artículo de Science Translational Medicine demostraron que estos mapas funcionales se pueden hacer extremadamente precisos utilizando sus sensores ECoG de nanovarillas de platino. En particular, el equipo desarrolló mapas funcionales en cuatro personas diferentes de un límite en el cerebro llamado surco central. El surco central divide la corteza somatomotora del cerebro de la corteza somatosensorial. En estos cuatro individuos, los investigadores colocaron las rejillas de nanovarillas de platino en las superficies de los cerebros de los sujetos y les pidieron que realizaran una serie de actividades, incluido agarrar las manos. Con esta información, los investigadores reconstruyeron la ubicación real de este hito clave en el cerebro, así como los correlatos neuronales en el cerebro que corresponden a la sensación de los dedos y el agarre de la mano. Los resultados de las rejillas de nanovarillas de platino se alinearon con los resultados de las rejillas ECoG de menor resolución ya aprobadas para uso clínico, pero con más precisión sobre dónde se encuentra exactamente este límite funcional crítico entre la corteza somatomotora y la corteza somatosensorial. El límite funcional curvilíneo recientemente delineado único para el cerebro de cada paciente es superior al límite lineal a menudo extrapolado que se determina a partir de las cuadrículas clínicas espaciadas un centímetro de la actualidad.

Un modelo cerebral reconstruido del PtNRGrid que captura ondas beta que se propagan en un persona que realiza una tarea de agarrar la mano. Crédito: Y. Tchoe et al., Science Translational Medicine (2022)

Perspectivas de neurociencia

Algunos de los datos recientemente publicados por el equipo de estudios en ratas también demuestran la utilidad de las cuadrículas para abrir nuevas vías en investigación fundamental en neurociencias. El artículo de Science Translational Medicine, por ejemplo, incluye lo que los investigadores creen que es el primer mapeo de una columna cortical en una rata a partir de grabaciones de la superficie del cerebro. En el pasado, el mapeo de las columnas corticales solo se realizaba mediante la colocación de una aguja individual en la superficie del cerebro y la estimulación eléctrica secuencial y el movimiento de la aguja a través de la superficie del cerebro. En términos más generales, el hecho de que las rejillas de nanovarillas de platino proporcionen datos de alta resolución tanto en el tiempo como en el espacio abre muchas posibilidades nuevas para descubrir nuevos conocimientos sobre cómo funciona el cerebro.

Otra observación habilitada por las nuevas rejillas está descubriendo las ondas cerebrales de rango corto y local, así como de largo y ancho, asociadas con la función cerebral, todo al mismo tiempo. Esta imagen (dinámica) altamente espacial y variable en el tiempo de la actividad cerebral se documentó en varias películas complementarias asociadas con el artículo de Science Translational Medicine y se usó para interpretar el movimiento de la mano de nuevas maneras utilizando patrones de ondas cerebrales.

El equipo está trabajando en una variedad de iniciativas en paralelo para hacer avanzar estas redes de modo que sean elegibles para revisión y aprobación para uso a corto, mediano y largo plazo.

Explore más

Los mapas cerebrales personalizados mejoran las cirugías contra el cáncer y los tratamientos para la epilepsia Más información: El mapeo del cerebro humano con PtNRGrids de miles de canales resuelve la dinámica espaciotemporal, Science Translational Medicine (2022). www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abj1441 Información de la revista: Science Translational Medicine

Proporcionado por la Universidad de California – San Diego Cita: Nuevas rejillas de sensores registrar señales del cerebro humano en una resolución sin precedentes (2022, 19 de enero) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2022-01-sensor-grids-human-brain-record-breaking.html Este documento es 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.