Los neuroingenieros de la Universidad de Rice han creado un pequeño implante quirúrgico que puede estimular eléctricamente el cerebro y el sistema nervioso sin usar una batería o una fuente de alimentación con cable.
El estimulador neural extrae su energía de la energía magnética y tiene aproximadamente el tamaño de un grano de arroz. Es el primer estimulador neural alimentado magnéticamente que produce el mismo tipo de señales de alta frecuencia que los implantes de batería aprobados clínicamente que sonse usa para tratar la epilepsia, la enfermedad de Parkinson, el dolor crónico y otras afecciones.
La investigación está disponible en línea hoy en la revista neurona .
El ingrediente clave del implante es una película delgada de material "magnetoeléctrico" que convierte la energía magnética directamente en un voltaje eléctrico. El método evita los inconvenientes de las ondas de radio, ultrasonido, luz e incluso bobinas magnéticas, todo lo cual se ha propuesto para alimentarpequeños implantes inalámbricos y se ha demostrado que sufren interferencia con el tejido vivo o producen cantidades dañinas de calor.
Para demostrar la viabilidad de la tecnología magnetoeléctrica, los investigadores mostraron que los implantes funcionaban en roedores que estaban completamente despiertos y libres para deambular por sus recintos.
"Hacer esa demostración de prueba de principio es realmente importante, porque es un gran salto tecnológico pasar de una demostración de banco a algo que podría ser realmente útil para tratar a las personas", dijo Jacob Robinson, autor correspondiente del estudio y unmiembro de la Iniciativa Rice Neuroingeniería. "Nuestros resultados sugieren que el uso de materiales magnetoeléctricos para la entrega de energía inalámbrica es más que una idea novedosa. Estos materiales son excelentes candidatos para la bioelectrónica inalámbrica de grado clínico".
Los implantes diminutos capaces de modular la actividad del cerebro y el sistema nervioso podrían tener amplias implicaciones. Si bien los implantes alimentados por batería se usan con frecuencia para tratar la epilepsia y reducir los temblores en pacientes con enfermedad de Parkinson, la investigación ha demostrado que la estimulación neural podría ser útilpara tratar la depresión, los trastornos obsesivo-compulsivos y más de un tercio de los que sufren de dolor crónico e intratable que a menudo conduce a la ansiedad, la depresión y la adicción a los opioides.
Robinson dijo que la miniaturización de la autora principal del estudio y estudiante graduada Amanda Singer es importante porque la clave para hacer que la terapia de estimulación neural esté más ampliamente disponible es crear dispositivos inalámbricos sin baterías que sean lo suficientemente pequeños como para ser implantados sin cirugía mayor.El tamaño de un grano de arroz podría implantarse en casi cualquier parte del cuerpo con un procedimiento mínimamente invasivo similar al utilizado para colocar stents en arterias bloqueadas, dijo.
El coautor del estudio y miembro de la iniciativa de neuroingeniería, Caleb Kemere, dijo: "Cuando tienes que desarrollar algo que se pueda implantar por vía subcutánea en el cráneo de animales pequeños, tus restricciones de diseño cambian significativamente. Hacer que esto funcione en un roedor en una restricción-El entorno libre realmente obligó a Amanda a reducir el tamaño y el volumen a la escala mínima posible ".
Para las pruebas de roedores, se colocaron dispositivos debajo de la piel de los roedores que podían moverse libremente por sus recintos. Los roedores preferían estar en partes de los recintos donde un campo magnético activaba el estimulador y proporcionaba un pequeño voltaje al centro de recompensade sus cerebros.
Singer, un estudiante de física aplicada en el laboratorio de Robinson, resolvió el problema de la energía inalámbrica uniendo capas de dos materiales muy diferentes en una sola película. La primera capa, una lámina magnetoestrictiva de hierro, boro, silicio y carbono, vibra a nivel molecularnivel cuando se coloca en un campo magnético. El segundo, un cristal piezoeléctrico, convierte la tensión mecánica directamente en un voltaje eléctrico.
"El campo magnético genera tensión en el material magnetoestrictivo", dijo Singer. "No hace que el material se vuelva visiblemente más grande y más pequeño, pero genera ondas acústicas y algunas de ellas están en una frecuencia resonante que crea un modo particularusamos el llamado modo resonante acústico "
La resonancia acústica en materiales magnetoestrictivos es lo que hace que los grandes transformadores eléctricos zumben audiblemente. En los implantes de Singer, las reverberaciones acústicas activan la mitad piezoeléctrica de la película.
Robinson dijo que las películas magnetoeléctricas obtienen mucha energía pero funcionan a una frecuencia demasiado alta para afectar las células cerebrales.
"Una pieza importante de ingeniería que Amanda resolvió fue crear los circuitos para modular esa actividad a una frecuencia más baja a la que las células responderían", dijo Robinson. "Es similar a la forma en que funciona la radio AM. Tienes estos muy altos-ondas de frecuencia, pero están moduladas a una frecuencia baja que se puede escuchar "
Singer dijo que crear una señal bifásica modulada que pudiera estimular las neuronas sin dañarlas fue un desafío, al igual que la miniaturización.
"Cuando presentamos este documento por primera vez, no teníamos la versión en miniatura implantada", dijo. "Hasta ese momento, lo más importante era descubrir cómo obtener esa señal bifásica que estimulamos, con qué circuitoelementos que necesitábamos para hacer eso.
"Cuando recibimos las revisiones después de esa primera presentación, los comentarios fueron como 'OK, dices que puedes hacerlo pequeño. Entonces, hazlo pequeño'", dijo Singer. "Entonces, pasamos otro año oasí que hacerlo pequeño y demostrar que realmente funciona. Ese fue probablemente el mayor obstáculo. Hacer dispositivos pequeños que funcionaran fue difícil, al principio ".
En total, el estudio tomó más de cinco años, en gran parte porque Singer tuvo que hacer prácticamente todo desde cero, dijo Robinson.
"No hay infraestructura para esta tecnología de transferencia de energía", dijo. "Si está usando radiofrecuencia RF, puede comprar antenas de RF y generadores de señales de RF. Si está usando ultrasonido, no es comoalguien dice: 'Oh, por cierto, primero debes construir la máquina de ultrasonido'.
"Amanda tuvo que construir todo el sistema, desde el dispositivo que genera el campo magnético hasta las películas en capas que convierten el campo magnético en voltaje y los elementos del circuito que lo modulan y lo convierten en algo que es clínicamente útil. Tuvo que fabricartodo, empaquételo, póngalo en un animal, cree los entornos de prueba y los accesorios para los experimentos in vivo y realice esos experimentos. Aparte de la lámina magnetoestrictiva y los cristales piezoeléctricos, no había nada en este proyecto que pudiera sercomprado a un vendedor "
Robinson y Kemere son profesores asociados de ingeniería eléctrica e informática y de bioingeniería.
Otros coautores incluyen a Shayok Dutta, Eric Lewis, Ziying Chen, Joshua Chen, Nishant Verma, Benjamin Avants y Ariel Feldman, todos de Rice, y John O'Malley y Michael Beierlein, ambos del Centro de Ciencias de la Salud de la Universidad de Texasen la Escuela de Medicina McGovern de Houston.
La investigación fue apoyada por la National Science Foundation y los National Institutes of Health.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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