Principais coisas a saber:
- Dinâmica Neural Complexa: A intrincada rede de neurônios do cérebro é essencial para todas as funções corporais, controlando tudo, desde habilidades motoras até memória e consciência.
- Impacto da incompatibilidade de materiais: As sondas neurais tradicionais feitas de materiais rígidos como o silício podem causar uma incompatibilidade mecânica na interface do cérebro, levando a possíveis problemas de inflamação e deslocamento.
- Avanços em sondas neurais: Inovações recentes utilizam materiais macios e flexíveis, como a liga eutética de gálio-índio (EGaIn), que se aproximam das propriedades mecânicas do tecido cerebral, reduzindo reações adversas e melhorando a estabilidade da sonda.
- Sistemas customizáveis e adaptáveis: Técnicas de ponta envolvem a impressão de componentes de interface neural diretamente no crânio, permitindo sistemas altamente personalizados e biocompatíveis que melhoram a precisão e a longevidade do monitoramento neural.
O cérebro é o órgão mais complexo do corpo. É uma rede complexa 3D de neurônios que gera e transmite continuamente sinais para se comunicar consigo mesmo e com o resto do corpo. A atividade neuronal do cérebro é responsável por todas as funções do corpo e, em um nível macro, controla a função, a consciência e o funcionamento do corpo. memória formação.
A complexidade do cérebro significa que qualquer pequena anomalia nos neurônios pode ter consequências grandes e drásticas, inclusive levando a distúrbios neurológicos como epilepsia, doença de Parkinson, doença de Alzheimer, depressão e dor crônica. Neural sondas são frequentemente usados para verificar se alguém está em risco de desenvolver esses distúrbios, bem como para monitorar a atividade e a progressão de quaisquer distúrbios, uma vez diagnosticados. Estes são dispositivos eletrônicos implantáveis que transduzem sinais iônicos neurais em sinais eletrônicos, permitindo que as atividades neuronais em diferentes regiões do cérebro sejam mapeadas.
Desafios dos materiais tradicionais de sondas neurais
No entanto, um dos desafios de muitas sondas neurais hoje é que elas são baseadas em materiais sólidos – como metais ou silício. Esses materiais possuem módulos elásticos na região de centenas de GPa, que é cerca de sete ordens de grandeza maior que o módulo elástico do cérebro. Isso leva a uma incompatibilidade mecânica na sonda-cérebro interface que muitas vezes causa respostas inflamatórias do tecido cerebral após a implantação. Estas respostas inflamatórias muitas vezes fazem com que o implante se mova do local pretendido, de modo que os dados necessários nem sempre são capturados e o paciente também pode sentir desconforto.
O uso de gálio-índio eutético (EGaIn) em sondas neurais, conforme discutido em estudos recentes, aborda a questão crucial da incompatibilidade mecânica, oferecendo um material macio e flexível que minimiza a irritação dos tecidos e as respostas inflamatórias. Esta inovação está abrindo caminho para sistemas de monitoramento neural mais seguros e confortáveis.
O uso da eletrônica suave ajuda a reduzir a incompatibilidade mecânica e as respostas inflamatórias. Vários estudos mostraram que podem ser criadas sondas neurais macias e adaptáveis que tenham uma melhor correspondência mecânica com o tecido cerebral para reduzir as respostas inflamatórias. No entanto, apesar dos avanços materiais nas próprias sondas, elas ainda são operadas por componentes eletrônicos volumosos e rígidos montados dentro do corpo. Esses sistemas volumosos podem fazer com que o dispositivo se degrade rapidamente no corpo e reduza a eficácia das sondas neurais moles ao longo do tempo. Para concretizar plenamente o potencial das sondas neurais moles e biocompatíveis, elas precisam ser acompanhadas por componentes eletrônicos e uma plataforma que também seja de natureza mole, adaptável e biocompatível.
Para fornecer uma compreensão mais clara dos avanços tecnológicos em sondas neurais, a Figura 1 do estudo referenciado ilustra vividamente o processo de impressão de alta resolução de metal líquido usado para criar sondas neurais macias e flexíveis. Esta figura não só mostra os detalhes intrincados dos designs das sondas, mas também enfatiza a precisão e adaptabilidade deste método de fabricação, que são cruciais para garantir a compatibilidade e funcionalidade das sondas no delicado ambiente do cérebro.
a Esquema do sistema de impressão em metal líquido. b Imagens SEM de padrões de metal líquido com barras de escala em 500 µm (preto) e 50 µm (branco). c Gráfico representando larguras de linha versus diâmetro interno do bico, com barras de erro indicando desvio padrão. d Esquema mostrando a semelhança entre a sonda neural mole e o neurônio. Inserção: esquema de vista explodida. e Imagem SEM da ponta da sonda colorida para parileno (verde) e PtB (amarelo), barra de escala em 10 μm. f SEM de PtB na ponta da sonda, barra de escala em 500 nm. g Espectroscopia de impedância para EGaIn com e sem revestimento PtB; inserção mostra impedância a 1 kHz. h Comparação de módulos elásticos de materiais como revestimentos de silício, ouro, PEDOT e EGaIn, com erros de desvio padrão. i Monitoramento de resistência em tempo real de PtB/EGaIn durante desconexão e reconexão. j Impedância de PtB/EGaIn através de ciclos de desconexão e reconexão.
A incorporação de materiais avançados, como metais líquidos, na eletrônica das interfaces neurais oferece uma abordagem revolucionária para garantir que todo o sistema permaneça flexível e biocompatível. Esta técnica, destacada em pesquisas recentes, otimiza a longevidade funcional e a eficácia das sondas neurais implantadas.
Observando a compatibilidade de todo o sistema de interface neural
Ao observar a biocompatibilidade de todo o sistema de implante usado para construir a interface neural, existem muitos componentes eletrônicos subsidiários que são usados para coletar os sinais de dados brutos das sondas neurais e transmiti-los do implante para um servidor externo no hospital pronto para análise. Além disso, a forma plana e rígida das placas de circuito impresso que conectam as sondas à eletrônica subsidiária também restringe o uso a longo prazo de sondas neurais e deteriora-se ao longo do tempo devido à incompatibilidade mecânica com o tecido circundante.
A eletrônica extensível é vista como o caminho a seguir, pois pode imitar a curvatura natural do corpo e não induzir qualquer incompatibilidade mecânica que promova respostas inflamatórias. No entanto, outro aspecto importante é que a eletrônica – especialmente a placa de circuito – precisa ser adaptada para cada paciente, pois é a placa de circuito que tem a maior interface com o tecido circundante e tem a maior influência na incompatibilidade mecânica além do sondam-se. Os sistemas eletrônicos precisam ser adaptados ao paciente porque o crânio e o cérebro de cada pessoa têm tamanhos diferentes, e a localização das sondas neurais será diferente dependendo da região do cérebro que está sendo analisada. Portanto, há uma necessidade de desenvolver abordagens que possam atender a esse nível de design personalizável dependendo do paciente e do procedimento.
A personalização de interfaces neurais por meio da impressão direta no crânio garante que cada sistema seja adaptado exclusivamente à anatomia do paciente, aumentando a eficácia e o conforto do tratamento. Este método, que utiliza posicionamento preciso e materiais como metais líquidos, pode melhorar significativamente os resultados dos pacientes, reduzindo o risco de incompatibilidade mecânica e subsequente resposta do tecido.
Novo sistema de interface neural que oferece flexibilidade multicomponente
Os pesquisadores agora começaram a imprimir as sondas neurais, as placas de circuito e os componentes eletrônicos subsidiários diretamente no cérebro e no crânio, em um esforço para atender à personalização e às demandas da eletrônica suave. O resultado é um sistema de interface neural flexível e adaptável que pode monitorar as atividades unitárias dos neurônios com estabilidade a longo prazo. Os componentes do sistema de interface neural foram impressos usando uma liga eutética de gálio-índio (EGaIn; 75.5% de gálio, 24.5% de índio em peso), que é um metal líquido à base de gálio.
As sondas neurais moles de metal líquido impressas tinham diâmetro em escala subcelular, com comprimentos adaptáveis, e foram implantadas no cérebro. Circuitos de metal líquido, interconexões e componentes eletrônicos subsidiários foram todos impressos diretamente na superfície do crânio, permitindo que o sistema completo tivesse uma integração conforme ao corpo e melhor biocompatibilidade. O sistema de circuito impresso no crânio também foi capaz de transmitir o sinal neural medido sem fio para um smartphone. Os sinais das sondas neurais também foram aprimorados pela formação de nanoaglomerados de platina nas sondas neurais na interface neurônio-sonda.
A escala subcelular das sondas neuronais impressas era estrutural e mecanicamente semelhante aos neurônios. Os comprimentos das sondas poderiam ser controlados pela impressão do metal líquido através de um bocal capilar, garantindo que as sondas pudessem ser modificadas com precisão para várias profundidades e regiões do cérebro, dependendo do procedimento e das regiões de interesse. O módulo suave das sondas de neurônios impressos foi capaz de restaurar suas propriedades de condução elétrica sob deformação extrema devido às capacidades de autocura do metal líquido.
A aplicação de metal líquido em sondas neurais não só permite comprimentos ajustáveis e diâmetros em escala subcelular, mas também introduz uma melhoria significativa na condutividade elétrica e nas propriedades mecânicas das sondas. Essa adaptabilidade garante que as sondas possam ser ajustadas com precisão para atingir áreas específicas do cérebro, aumentando a precisão do monitoramento neural e das estratégias de tratamento.
Avanços em aplicações de interface neural
Os pesquisadores também demonstraram a capacidade de formar circuitos miniaturizados e conformados no crânio de um camundongo vivo e fizeram gravações neurais sem fio da atividade cerebral. As sondas foram usadas para registro neural e testes comportamentais em camundongos em movimento livre. Os potenciais de campo locais (LFPs) e picos de unidade única em diferentes regiões do cérebro foram investigados durante um longo período de gravação de 33 semanas – mostrando a adaptabilidade do processo para criar interfaces neurais imprimíveis que podem ser usadas para medir diferentes regiões do cérebro durante longos períodos de tempo sem degradação.
O registro dos sinais neurais foi realizado usando ambos Wi-Fi e um sistema de comunicação de campo próximo (NFC). A incorporação do sistema de comunicação NFC no couro cabeludo obteve resultados positivos e a transferência de dados para análise. Por outro lado, a abordagem Wi-Fi não foi tão bem sucedida porque os componentes não eram tão integrados no corpo como a abordagem NFC. Isso ocorre porque a plataforma impressa com Wi-Fi era maior e exigia muita bateria.
Tem havido muito sucesso na criação de sistemas completos de interface neural imprimíveis diretamente no crânio. Os desafios da plataforma Wi-Fi abrem a possibilidade de novas pesquisas na área para a criação de baterias imprimíveis mais eficientes usando biofluidos como eletrólito. A capacidade de criar interfaces neurais suaves e circuitos conformados em tecidos biológicos moles também poderia ajudar a promover os campos da neurociência e da bioeletrônica nos próximos anos.
Referência:
Parque JU. et al., Integração in vivo de sondas neurais moles por meio de impressão de alta resolução de eletrônicos líquidos no crânio, Natureza das Comunicações, 15, (2024), 1772.