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Interfaces cerebrales hechas de seda
Los médicos pueden colocar series de electrodos en la superficie del cerebro para identificar el origen de los ataques epilépticos; los pacientes pueden utilizar estos electrodos para controlar el cursor de una computadora. Pero aún no es seguro dejar estos dispositivos en el cerebro a largo plazo, y esa es una cualidad que debe desarrollarse antes de que los investigadores puedan desarrollar mejores interfaces cerebro-computadora.
Seda en el cerebro: Los electrodos delgados y flexibles montados sobre un sustrato de seda biodegradable podrían proporcionar una mejor interfaz cerebro-máquina. El dispositivo envuelve las grietas en la superficie del cerebro, como se muestra en este modelo.
Ahora, un grupo de investigadores está construyendo productos electrónicos biocompatibles en sustratos delgados y flexibles. El grupo espera crear interfaces neuronales que tomen medidas de mayor resolución que las disponibles en la actualidad sin irritar o dejar cicatrices en el tejido cerebral.
La biocompatibilidad es un desafío importante para las nuevas generaciones de implantes médicos, dice Brian Litt , profesor de neurología y bioingeniería en la Facultad de Medicina de la Universidad de Pensilvania. Queríamos hacer dispositivos que fueran ultradelgados y que pudieran insertarse en el cerebro a través de pequeños orificios en el cráneo y estar hechos de materiales que fueran biocompatibles, dice. Litt está trabajando con investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign que están construyendo componentes electrónicos flexibles de alto rendimiento a partir de silicio y otros materiales convencionales en sustratos de películas de seda biodegradables y mecánicamente fuertes proporcionadas por investigadores de la Universidad de Tufts.
Esta semana en el diario Materiales de la naturaleza , el equipo informa que utilizó un dispositivo de electrodo de seda para medir la actividad eléctrica de la superficie del cerebro en los gatos. La seda es mecánicamente fuerte, lo que significa que las películas se pueden enrollar e insertar a través de un pequeño orificio en el cráneo, pero se pueden disolver en biomoléculas inofensivas con el tiempo. Cuando se coloca sobre el tejido cerebral y se humedece con solución salina, una película de seda se encoge alrededor de la superficie del cerebro, llevando electrodos consigo a las arrugas del tejido. Los conjuntos de electrodos de superficie convencionales no pueden llegar a estas grietas, que constituyen una gran parte de la superficie del cerebro.
Un dispositivo como este abriría completamente nuevas vías en todas las aplicaciones clínicas y de la neurociencia, dice Gerwin Schalk , investigador del Wadsworth Center en Albany, NY, que no está afiliado al grupo de electrodos de seda. Lo que preveo es colocar un dispositivo basado en seda por todo el cerebro y obtener una imagen continua de la función cerebral durante semanas, meses o años, con una alta resolución espacial y temporal.
La ventaja de los electrodos de superficie sobre los implantados es que no causan cicatrices, dice Andrew Schwartz , profesor de neurobiología en la Universidad de Pittsburgh. En 2008, Schwartz demostró que un mono con un electrodo en el cerebro puede controlar un brazo protésico para alimentarse. Este diseño es incluso mejor porque tiene un tamaño de característica relativamente pequeño y es flexible; podría hacer que estos implantes sean menos traumáticos, dice. Lo que realmente sería bueno es si pudiera amplificar la señal cerca de donde la recibe para reducir el ruido y multiplexar la señal para reducir la cantidad de cables necesarios, dice Schwartz.
Los investigadores de la electrónica de la seda dicen que este es su próximo paso y una de las principales promesas de la tecnología. Ya han demostrado matrices de transistores de silicio delgadas y flexibles construidas sobre seda, y las han probado en animales, pero todavía no en el cerebro. Schwartz dice que otros grupos han reconocido la importancia de la multiplexación y la amplificación de señales, pero han estado trabajando con placas de circuito rígidas que no son tan biocompatibles. La adición de estos componentes activos reduciría la cantidad de cables necesarios en estos implantes, que hoy en día requieren un cable por sensor. Y los dispositivos activos podrían responder a la actividad cerebral para proporcionar estímulos eléctricos o liberar fármacos. (Uno de los colaboradores del proyecto de la seda, David Kaplan en la Universidad de Tufts, ha demostrado que los dispositivos de seda implantados en el cerebro de animales pequeños pueden administrar medicamentos contra la epilepsia).
Agregar transistores a la electrónica es actualmente un desafío de diseño, dice John Rogers, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. El diseño de la matriz de electrodos que su grupo consideró más compatible con el tejido cerebral es una malla: las láminas sólidas no se envuelven alrededor del tejido cerebral con tanta eficacia. Y agregar transistores de silicio a la malla es más difícil que hacerlo en un sustrato sólido. Aún así, dice Rogers, todas las piezas principales están en su lugar y solo necesitan integrarse. Con un mayor desarrollo y pruebas para demostrar que los dispositivos son seguros, dice Rogers, esperamos que esto sea la base para nuevas interfaces cerebro-máquina de mayor calidad.