Cómo el polvo inteligente podría espiar tu cerebro

El monitoreo en tiempo real de la función cerebral ha avanzado a pasos agigantados en los últimos años. Eso se debe en gran parte a varias tecnologías nuevas que pueden monitorear el comportamiento colectivo de grupos de neuronas, como la resonancia magnética funcional, la magnetoencefalopatía y la tomografía por emisión de positrones.

Este trabajo está revolucionando nuestra comprensión de la forma en que se estructura y se comporta el cerebro. También ha dado lugar a una nueva disciplina de ingeniería de interfaces cerebro-máquina, que permite a las personas controlar las máquinas solo con el pensamiento.

Por impresionantes que sean estas técnicas, todas adolecen de limitaciones inherentes, como una resolución espacial limitada, una falta de portabilidad y una invasividad extrema.

Hoy, Dongjin Seo y sus amigos de la Universidad de California en Berkeley revelan una forma completamente nueva de estudiar e interactuar con el cerebro. Su idea es rociar sensores electrónicos del tamaño de partículas de polvo en la corteza e interrogarlos de forma remota mediante ultrasonidos. El ultrasonido también alimenta este llamado polvo neural.

Cada partícula de polvo neuronal consta de circuitos y sensores CMOS estándar que miden la actividad eléctrica en las neuronas cercanas. Esto está acoplado a un material piezoeléctrico que convierte ondas de sonido de frecuencia ultra alta en señales eléctricas y viceversa.

El polvo neural es interrogado por otro componente colocado debajo de la báscula pero alimentado desde fuera del cuerpo. Esto genera el ultrasonido que alimenta el polvo neuronal y los sensores que escuchan su respuesta, como un sistema RFID.

El sistema también es inalámbrico: los datos se recopilan y almacenan fuera del cuerpo para su posterior análisis.

Eso evita muchas de las limitaciones. El sistema es de menor potencia, puede tener una alta resolución espacial y es fácilmente portátil. También es resistente y potencialmente puede proporcionar un enlace durante largos períodos de tiempo. Un obstáculo importante en las interfaces cerebro-máquina (BMI) es la falta de un sistema de interfaz neuronal implantable que siga siendo viable durante toda la vida, dicen Seo y compañía.

La dificultad está en diseñar y construir tal sistema y el artículo de hoy es un estudio teórico de estos desafíos. Primero está el problema de diseñar y construir partículas de polvo neuronal en una escala de aproximadamente 100 micrómetros que pueden enviar y recibir señales en el ambiente duro, cálido y ruidoso dentro del cuerpo.

Es por eso que Seo y compañía han elegido el ultrasonido para enviar y recibir datos. Calculan que la potencia requerida para usar ondas electromagnéticas en la escala generaría una cantidad dañina de calor debido a la cantidad de energía que absorbe el cuerpo y las preocupantes relaciones señal-ruido en esta escala.

Por el contrario, el ultrasonido es mucho más eficiente y debería permitir la transmisión de al menos 10 millones de veces más potencia que las ondas electromagnéticas a la misma escala.

Luego está el problema de vincular la electrónica al sistema piezoeléctrico que convierte el ultrasonido en señales electrónicas y viceversa. Asegurarse de que el sistema funcione de manera eficiente será complicado dado que debe estar empaquetado en un polímero inerte o una película aislante (que también debe exponer los electrodos de grabación a las neuronas cercanas).

Finalmente, existe el desafío de diseñar y construir el sistema de interrogación que genera el ultrasonido para alimentar toda la matriz, pero a una potencia lo suficientemente baja como para evitar calentar el cráneo y el cerebro.

Además de todo esto, está el desafío adicional de implantar las partículas de polvo neuronal en la corteza. Seo y compañía dicen que esto probablemente se puede hacer fabricando las partículas de polvo en las puntas de una matriz de alambre fino, que se mantiene en su lugar por tensión superficial, por ejemplo. Esta matriz se sumergiría en la corteza donde se incrustan las partículas de polvo.

Esa es una visión ambiciosa que está plagada de desafíos más allá del estado de la técnica. Sin embargo, el equipo tiene una sólida experiencia en sistemas nanoelectromecánicos y en la interfaz entre sistemas electrónicos y células.

De hecho, uno de los autores, Michel Maharbiz, desarrolló el primer escarabajo controlado a distancia del mundo hace unos años, un desarrollo que fue nombrado una de las 10 principales tecnologías emergentes de 2009 por Technology Review.

Estos muchachos claramente no tienen miedo de asumir grandes desafíos. Será interesante ver cómo les va.

Ref: arxiv.org/abs/1307.2196 : Neural Dust: una solución ultrasónica de bajo consumo para interfaces crónicas cerebro-máquina

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