Cosas clave que debe saber:
- Dinámica neuronal compleja: La intrincada red de neuronas del cerebro es esencial para todas las funciones corporales y controla todo, desde las habilidades motoras hasta la memoria y la conciencia.
- Impacto del desajuste de materiales: Las sondas neuronales tradicionales fabricadas con materiales rígidos como el silicio pueden provocar un desajuste mecánico en la interfaz del cerebro, lo que provoca posibles problemas de inflamación y desplazamiento.
- Avances en sondas neuronales: Las innovaciones recientes utilizan materiales blandos y flexibles como la aleación eutéctica de galio-indio (EGaIn), que se asemeja mucho a las propiedades mecánicas del tejido cerebral, lo que reduce las reacciones adversas y mejora la estabilidad de la sonda.
- Sistemas personalizables y conformables: Las técnicas de vanguardia implican imprimir componentes de interfaz neuronal directamente en el cráneo, lo que permite sistemas altamente personalizados y biocompatibles que mejoran la precisión y la longevidad del monitoreo neuronal.
El cerebro es el órgano más complejo del cuerpo. Es una red compleja en 3D de neuronas que generan y transmiten continuamente señales para comunicarse dentro de sí mismo y con el resto del cuerpo. La actividad neuronal del cerebro es responsable de todas las funciones del cuerpo y, a nivel macro, controla la función, la conciencia y el bienestar del cuerpo. memoria formación.
La complejidad del cerebro significa que cualquier pequeña anomalía dentro de las neuronas puede tener consecuencias grandes y drásticas, incluyendo trastornos neurológicos como epilepsia, enfermedad de Parkinson, enfermedad de Alzheimer, depresión y dolor crónico. Neural sondas A menudo se utilizan para comprobar si alguien está en riesgo de padecer estos trastornos, así como para controlar la actividad y la progresión de cualquier trastorno una vez diagnosticado. Estos son dispositivos electrónicos implantables que transducen señales iónicas neuronales en señales electrónicas, lo que permite mapear las actividades neuronales dentro de diferentes regiones del cerebro.
Desafíos de los materiales de sondas neuronales tradicionales
Sin embargo, uno de los desafíos de muchas sondas neuronales hoy en día es que se basan en materiales sólidos, como metales o silicio. Estos materiales tienen módulos elásticos en la región de cientos de GPa, que es alrededor de siete órdenes de magnitud más altos que el módulo elástico del cerebro. Esto conduce a un desajuste mecánico en la sonda-cerebro. interfaz. que a menudo provoca respuestas inflamatorias del tejido cerebral después de la implantación. Estas respuestas inflamatorias a menudo hacen que el implante se mueva de su ubicación prevista, por lo que no siempre se capturan los datos necesarios y el paciente también puede experimentar molestias.
El uso de galio-indio eutéctico (EGaIn) en sondas neuronales, como se analiza en estudios recientes, aborda la cuestión crucial del desajuste mecánico al ofrecer un material suave y flexible que minimiza la irritación de los tejidos y las respuestas inflamatorias. Esta innovación está allanando el camino para sistemas de monitorización neuronal más seguros y cómodos.
El uso de electrónica blanda ayuda a reducir el desajuste mecánico y las respuestas inflamatorias. Varios estudios han demostrado que se pueden crear sondas neuronales suaves y conformables que tengan una mejor combinación mecánica con el tejido cerebral para reducir las respuestas inflamatorias. Sin embargo, a pesar de los avances materiales en las propias sondas, todavía funcionan mediante componentes electrónicos rígidos y voluminosos que están montados dentro del cuerpo. Estos sistemas voluminosos pueden hacer que el dispositivo se degrade rápidamente en el cuerpo y reduzcan la eficacia de las sondas neuronales blandas con el tiempo. Para aprovechar plenamente el potencial de las sondas neuronales blandas y biocompatibles, deben ir acompañadas de componentes electrónicos y una plataforma que también sea de naturaleza blanda, conformable y biocompatible.
Para proporcionar una comprensión más clara de los avances tecnológicos en las sondas neuronales, la Figura 1 del estudio al que se hace referencia ilustra vívidamente el proceso de impresión de alta resolución del metal líquido utilizado para crear sondas neuronales suaves y flexibles. Esta figura no sólo muestra los intrincados detalles de los diseños de las sondas, sino que también enfatiza la precisión y adaptabilidad de este método de fabricación, que son cruciales para garantizar la compatibilidad y funcionalidad de las sondas dentro del delicado entorno del cerebro.
a Esquema del sistema de impresión de metal líquido. b Imágenes SEM de patrones de metal líquido con barras de escala a 500 µm (negro) y 50 µm (blanco). c Gráfico que muestra los anchos de línea versus el diámetro interior de la boquilla, con barras de error que indican la desviación estándar. d Esquema que muestra el parecido entre la sonda neural blanda y la neurona. Recuadro: esquema de vista ampliada. e Imagen SEM de la punta de la sonda coloreada para parileno (verde) y PtB (amarillo), barra de escala a 10 µm. f SEM de PtB en la punta de la sonda, barra de escala a 500 nm. g Espectroscopia de impedancia para EGaIn con y sin recubrimiento de PtB; El recuadro muestra la impedancia a 1 kHz. h Comparación de módulos elásticos de materiales como recubrimientos de silicio, oro, PEDOT y EGaIn, con errores de desviación estándar. i Monitoreo de resistencia en tiempo real de PtB/EGaIn durante la desconexión y reconexión. j Impedancia de PtB/EGaIn mediante ciclos de desconexión y reconexión.
La incorporación de materiales avanzados como metales líquidos en la electrónica de las interfaces neuronales ofrece un enfoque revolucionario para garantizar que todo el sistema siga siendo suave y biocompatible. Esta técnica, destacada en investigaciones recientes, optimiza la longevidad funcional y la eficacia de las sondas neuronales implantadas.
Observando la compatibilidad de todo el sistema de interfaz neuronal
Cuando se analiza la biocompatibilidad de todo el sistema de implante utilizado para construir la interfaz neuronal, hay muchos componentes electrónicos subsidiarios que se utilizan para recopilar las señales de datos sin procesar de las sondas neuronales y transmitirlas desde el implante a un servidor externo en el hospital. para analizar. Además, la forma plana y rígida de las placas de circuito impreso que conectan las sondas a la electrónica subsidiaria también restringe el uso a largo plazo de las sondas neuronales y se deteriora con el tiempo debido al desajuste mecánico con el tejido circundante.
La electrónica extensible se considera el camino a seguir, ya que puede imitar la curvatura natural del cuerpo y no inducir ningún desajuste mecánico que promueva respuestas inflamatorias. Sin embargo, otro aspecto clave es que la electrónica, especialmente la placa de circuito, debe adaptarse a cada paciente individual, ya que es la placa de circuito la que tiene la interfaz más grande con el tejido circundante y tiene la mayor influencia en el desajuste mecánico más allá del sondas mismas. Los sistemas electrónicos deben adaptarse al paciente porque el cráneo y el cerebro de cada persona tienen diferentes tamaños y la ubicación de las sondas neuronales será diferente dependiendo de la región del cerebro que se esté analizando. Por lo tanto, existe un llamado a desarrollar enfoques que puedan alcanzar este nivel de diseño personalizable según el paciente y el procedimiento.
La personalización de las interfaces neuronales mediante la impresión directa en el cráneo garantiza que cada sistema se adapte de forma única a la anatomía del paciente, mejorando tanto la eficacia como la comodidad del tratamiento. Este método, que utiliza una colocación precisa y materiales como metales líquidos, puede mejorar significativamente los resultados de los pacientes al reducir el riesgo de desajuste mecánico y la posterior respuesta del tejido.
Nuevo sistema de interfaz neuronal que ofrece flexibilidad multicomponente
Los investigadores ahora han comenzado a imprimir las sondas neuronales, las placas de circuitos y los componentes electrónicos subsidiarios directamente en el cerebro y el cráneo en un esfuerzo por satisfacer las demandas de personalización y electrónica blanda. El resultado es un sistema de interfaz neuronal suave y adaptable que puede monitorear las actividades unitarias de las neuronas con estabilidad a largo plazo. Los componentes del sistema de interfaz neuronal se imprimieron utilizando una aleación eutéctica de galio-indio (EGaIn; 75.5 % de galio, 24.5 % de indio en peso), que es un metal líquido a base de galio.
Las sondas neuronales blandas de metal líquido que se imprimieron tenían un diámetro de escala subcelular, con longitudes adaptables, y se implantaron en el cerebro. Los circuitos de metal líquido, las interconexiones y la electrónica subsidiaria se imprimieron directamente en la superficie del cráneo, lo que permitió que el sistema completo tuviera una integración conforme al cuerpo y una mejor biocompatibilidad. El sistema de circuitos impreso en el cráneo también pudo transmitir la señal neuronal medida de forma inalámbrica a un teléfono inteligente. Las señales de las sondas neuronales también se mejoraron mediante la formación de nanoclusters de platino en las sondas neuronales en la interfaz neurona-sonda.
La escala subcelular de las sondas neuronales impresas era estructural y mecánicamente similar a las neuronas. Las longitudes de las sondas podrían controlarse imprimiendo el metal líquido a través de una boquilla capilar, asegurando que las sondas pudieran modificarse con precisión a varias profundidades y regiones del cerebro dependiendo del procedimiento y las regiones de interés. El módulo blando de las sondas neuronales impresas pudo restaurar sus propiedades de conducción eléctrica bajo deformaciones extremas debido a las capacidades de autocuración del metal líquido.
La aplicación de metal líquido en sondas neurales no sólo permite longitudes ajustables y diámetros a escala subcelular sino que también introduce una mejora significativa en la conductividad eléctrica y las propiedades mecánicas de las sondas. Esta adaptabilidad garantiza que las sondas se puedan ajustar con precisión para apuntar a áreas específicas del cerebro, mejorando la precisión de las estrategias de tratamiento y monitoreo neuronal.
Avances en aplicaciones de interfaz neuronal
Los investigadores también demostraron la capacidad de formar circuitos conformados y miniaturizados en el cráneo de un ratón vivo y tomaron registros neuronales inalámbricos de la actividad cerebral. Las sondas se utilizaron para registros neuronales y pruebas de comportamiento en ratones que se movían libremente. Los potenciales de campo locales (LFP) y los picos de una sola unidad en diferentes regiones del cerebro se investigaron durante un largo tiempo de grabación de 33 semanas, lo que demuestra la adaptabilidad del proceso para crear interfaces neuronales imprimibles que se pueden usar para medir diferentes regiones del cerebro. durante largos períodos de tiempo sin degradación.
El registro de las señales neuronales se realizó utilizando ambos Wi-Fi y un sistema de comunicación de campo cercano (NFC). La integración del sistema de comunicación NFC en el cuero cabelludo logró resultados positivos y la transferencia de datos para su análisis. Por otro lado, el enfoque Wi-Fi no tuvo tanto éxito porque los componentes no se integraban tanto en el cuerpo como el enfoque NFC. Esto se debe a que la plataforma impresa habilitada para Wi-Fi era más grande y tenía requisitos de batería voluminosos.
Ha habido mucho éxito en la creación de sistemas completos de interfaz neuronal imprimibles directamente en el cráneo. Los desafíos con la plataforma Wi-Fi abren la posibilidad de realizar más investigaciones en el área para crear baterías imprimibles más eficientes utilizando biofluidos como electrolito. La capacidad de crear interfaces neuronales blandas y circuitos conformes en tejidos biológicos blandos también podría ayudar a avanzar en los campos de la neurociencia y la bioelectrónica en los próximos años.
Referencia:
Parque JU. et al., Integración in vivo de sondas neuronales blandas mediante la impresión de alta resolución de componentes electrónicos líquidos en el cráneo, Nature Communications, 15, (2024), 1772.