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Un sensor neural implantable sin batería
Gracias a la reducción del tamaño de la electrónica, los investigadores han estado explorando dispositivos implantables cada vez más sofisticados, allanando el camino para nuevas prótesis e interfaces cerebro-máquina. Pero un gran desafío ha sido cómo suministrar energía a los componentes electrónicos integrados en el cuerpo.
Bombearlo: Este amplificador neural de baja potencia recopila señales eléctricas de los nervios y minimiza el ruido eléctrico.
Ahora, los ingenieros eléctricos de la Universidad de Washington han desarrollado un chip sensor neural implantable que necesita menos energía. Otros dispositivos médicos inalámbricos, como la cóclea o los implantes de retina, dependen del acoplamiento inductivo, lo que significa que la fuente de alimentación debe estar a centímetros de distancia. La nueva plataforma de sensores, llamada NeuralWISP, extrae energía de una fuente de radio hasta un metro de distancia.
El dispositivo contiene un microprocesador alimentado por un lector de radiofrecuencia comercial que funciona como un dispositivo de recolección de datos. El mismo equipo se utiliza para alimentar y leer información de etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID). En experimentos, los investigadores utilizaron el nuevo dispositivo para detectar la actividad del sistema nervioso central en una polilla con el fin de estudiar su locomoción.
Recientemente, ha habido algunos avances en la reducción del tamaño de los implantes neurales, pero la mayoría de los dispositivos implantables siguen siendo relativamente engorrosos. Por lo general, estos dispositivos requieren varios componentes, como un reloj para las operaciones de sincronización y una antena para la comunicación y la recolección de energía, que son bastante grandes en comparación con los transistores del microcontrolador, dice Brian Otis, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Washington y investigador principal de NeuralWISP.
Puede tener millones de transistores en un chip de menos de un milímetro cúbico de volumen, pero el problema está en las partes adicionales, dice Otis. Nuestro objetivo es reducir todo en un solo chip y reducir el consumo de energía de estos componentes para que el chip pueda alimentarse de forma inalámbrica.
El NeuralWISP es una colección de componentes más pequeños y de menor potencia, como un amplificador de señal especializado, en una placa de circuito de poco más de dos centímetros de largo. Una versión futura integrará todos los componentes en un solo chip de un milímetro por dos milímetros de tamaño. El circuito convierte la energía utilizable del lector (aproximadamente 430 microvatios) en un voltaje que puede encender el microcontrolador. Este microcontrolador, a su vez, controla el sensor y su temporizador, y ejecuta instrucciones que permiten enviar datos al lector.
Aleteo libre: Esta polilla atada está conectada al sistema de detección neural, que registra la actividad de su sistema nervioso central mientras bate sus alas.
Una de las principales formas de ahorrar energía, dice Otis, era reducir la frecuencia con la que el sensor medía las señales eléctricas producidas por las neuronas. Los investigadores programaron el microcontrolador para que se activara cuando ocurriera un pico eléctrico y registrara solo las señales que estaban por encima de cierto umbral. Los neurocientíficos están interesados en la tasa de aumento, dice Otis. No digitalizamos toda la forma de onda cerebral.
Además de algunas consideraciones de diseño de circuitos de baja potencia, los investigadores construyeron un pequeño amplificador de señal que aumenta la señal eléctrica de las neuronas al tiempo que minimiza el ruido eléctrico. Para ello, dividieron la señal entrante en dos partes. La cantidad de electricidad entrante de la actividad neuronal es la misma, pero dividiéndola entre un par de transistores dentro del circuito, la cantidad de ruido se reduce a la mitad.
En el experimento de la polilla, los investigadores probaron el sistema sin batería mediante la recopilación de datos sobre las señales eléctricas de los músculos de las alas de la polilla. Las pruebas mostraron la frecuencia con la que la polilla batía sus alas. Los resultados se publican en la revista Transacciones IEEE en circuitos y sistemas biomédicos ; los investigadores también discutieron el trabajo en una cumbre sobre plataformas de detección e identificación inalámbrica (WISP) en Berkeley, CA, el martes. El sistema actual es demasiado grande para permitir que la polilla vuele libremente, pero un próximo chip, que se presentará en febrero, es lo suficientemente pequeño como para permitir un vuelo sin obstáculos, dice Otis.
La mayoría de los dispositivos implantables han utilizado frecuencias más bajas, dice Josh Smith , ingeniero principal de Intel y organizador de la Cumbre WISP . Una frecuencia más baja también significa que los dispositivos deben leerse a corta distancia, agrega. El uso de lectores RFID comerciales, dice Smith, permite encender el dispositivo y leer los datos desde más lejos. Sin embargo, dice que todavía es una pregunta abierta si la antena mantendrá el largo alcance una vez implantada en el tejido animal, porque la señal podría ser absorbida. Medir polillas es una buena opción para este enfoque, ya que la antena no tiene que entrar en el tejido del animal, dice.
Arto Nurmikko, profesor de ingeniería en Brown, está de acuerdo y dice que es útil medir la actividad neuronal en las polillas, pero los desafíos reales y el potencial de aplicación surgen en el trabajo con primates.