Los investigadores han demostrado la capacidad de implantar una interfaz neuronal ultradelgada y flexible 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 en menos de un micrómetro de material, elel 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 Medicina traslacional de la ciencia , fueron publicados por un equipo de investigadores dirigido por Jonathan Viventi, profesor asistente de ingeniería biomédica en la Universidad de Duke; John Rogers, el profesor Louis Simpson y Kimberly Querrey de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Ingeniería Biomédica y Cirugía Neurológica en la Universidad Northwestern; yBijan Pesaran, profesor de ciencias neuronales en la Universidad de Nueva York.
"Intentar que estos sensores funcionen en el cerebro es como tirar su teléfono inteligente plegable y flexible en el océano y esperar que funcione durante 70 años", dijo Viventi. "Excepto que estamos fabricando dispositivos que son mucho más delgados y mucho másmás flexible que los teléfonos actualmente en el mercado. Ese es el desafío "
El cuerpo humano es un lugar implacable para vivir si eres un huésped no invitado, especialmente si estás hecho de polímeros o metal. Además de los ataques de los tejidos circundantes y el sistema inmunológico, los objetos extraños deben ser capaces de resistirUn ambiente corrosivo y salado.
Diseñar dispositivos eléctricos que puedan resistir este asalto es una perspectiva aún más desalentadora. Los dispositivos implantables actuales a largo plazo están sellados casi universalmente herméticamente dentro de una carcasa de titanio soldada con láser. Piense en un marcapasos, por ejemplo.
"Construir recintos impermeables a granel para este tipo de implantes representa un nivel de desafío de ingeniería", dijo Rogers. "Estamos informando aquí el desarrollo exitoso de materiales que proporcionan niveles similares de aislamiento, pero con membranas delgadas y flexiblesque son cien veces más delgadas que una hoja de papel "
Pero cuando se trata del cerebro humano, el espacio y la flexibilidad son esenciales. No hay espacio para dispositivos rígidos con paredes de milímetro de espesor. Estos desafíos significan que las interfaces neuronales existentes pueden muestrear solo alrededor de un centenar de sitios, lo que palideceen 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 encuentra 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.
"Necesita mover la electrónica a los sensores 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 cablesporque muchos píxeles comparten los mismos canales de datos "
A través de su trabajo, los investigadores ya han demostrado dispositivos neuronales flexibles de solo 25 micrómetros de grosor con 360 electrodos. Pero los intentos anteriores para mantenerlos a salvo del daño dentro del cuerpo han fallado, ya que incluso el defecto más pequeño puede frustrar todo el esfuerzo.
"Intentamos un montón de estrategias antes. Depositar polímeros tan delgados como sea necesario resultó en defectos que los hicieron fallar, y los polímeros más gruesos no tenían la flexibilidad requerida", dijo Viventi. "Pero finalmente encontramos unestrategia que los supera a todos y ahora lo ha hecho funcionar en el cerebro ".
Todo lo que se necesitó fue 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 alejar el ambiente hostil dentro del cerebro, degradando a una velocidad de solo 0.46 nanómetros por día.Y debido a que esta forma de vidrio es biocompatible, cualquier cantidad traza que se disuelva en el cuerpo no debería crear ningún problema por sí mismo.
También muestran que, aunque la encapsulación de vidrio no es conductiva, los electrodos del dispositivo pueden 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 unInterfaz neural de 64 electrodos en una rata durante más de un año y una interfaz neural de 1.008 electrodos en la corteza motora de un mono que alcanza una pantalla táctil.
"Implementar con éxito el dispositivo en monos que realizan tareas similares a las humanas es un gran avance", dijo Perasan. "Ahora podemos refinar nuestra tecnología para ayudar a las personas que sufren trastornos cerebrales".
En base a estos resultados y experimentos para calentar los dispositivos para simular períodos de tiempo más largos, los investigadores creen que sus dispositivos podrían resistir la implantación durante más de seis años.
Si bien estos resultados son enormes pasos hacia adelante en comparación con los dispositivos de vanguardia actuales, no están cerca del nivel de las aspiraciones de los investigadores. El estudiante de Viventi actualmente está trabajando para escalar el prototipo de 1,000 electrodos amás de 65,000. Y esperan que al usar 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 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 que pueda restaurar al menos algo de la capacidad visual de las personas con nervios ópticos dañados", dijo Viventi. "Pero también podemos usar este tipo dedispositivos para controlar otros tipos de prótesis o en una amplia gama de proyectos de investigación en neurociencia "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Original escrito por Ken Kingery. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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