Investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado un nuevo dispositivo para conectar el cerebro directamente a tecnologías basadas en silicio. Si bien los dispositivos de interfaz cerebro-máquina ya existen y se utilizan para prótesis, tratamiento de enfermedades e investigación del cerebro:este último dispositivo puede registrar más datos y, al mismo tiempo, es menos intrusivo que las opciones existentes.

"Nadie ha tomado estos componentes electrónicos de silicio 2-D y los ha emparejado con la arquitectura tridimensional del cerebro antes, "dijo Abdulmalik Obaid, estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales en Stanford. "Tuvimos que descartar lo que ya sabemos sobre la fabricación de chips convencionales y diseñar nuevos procesos para llevar la electrónica de silicio a la tercera dimensión. Y tuvimos que hacerlo de una manera que pudiera escalar fácilmente".

El dispositivo, el tema de un artículo publicado el 20 de marzo en Avances de la ciencia , contiene un paquete de microalambres, con cada alambre menos de la mitad del ancho del cabello humano más delgado. Estos cables delgados pueden insertarse suavemente en el cerebro y conectarse en el exterior directamente a un chip de silicio que registra las señales eléctricas del cerebro que pasan por cada cable, como hacer una película de actividad eléctrica neuronal. Las versiones actuales del dispositivo incluyen cientos de microalambres, pero las versiones futuras podrían contener miles.

"La actividad eléctrica es una de las formas de mayor resolución de observar la actividad cerebral, "dijo Nick Melosh, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y coautor principal del artículo. "Con esta matriz de microalambres, podemos ver lo que está sucediendo en el nivel de una sola neurona ".

Los investigadores probaron su interfaz cerebro-máquina en células retinianas aisladas de ratas y en cerebros de ratones vivos. En ambos casos, obtuvieron con éxito señales significativas a través de los cientos de canales de la matriz. La investigación en curso determinará aún más cuánto tiempo puede permanecer el dispositivo en el cerebro y qué pueden revelar estas señales. El equipo está especialmente interesado en lo que las señales pueden decirles sobre el aprendizaje. Los investigadores también están trabajando en aplicaciones en prótesis, particularmente asistencia para el habla.

Vale la pena esperar

Los investigadores sabían que, para lograr sus objetivos, tenían que crear una interfaz cerebro-máquina que no solo fuera duradera, pero también capaz de establecer una conexión cercana con el cerebro mientras causa un daño mínimo. Se centraron en conectarse a dispositivos basados ​​en silicio para aprovechar los avances en esas tecnologías.

"Los chips de silicio son tan poderosos y tienen una capacidad increíble para escalar, ", dijo Melosh." Nuestra matriz se acopla con esa tecnología de manera muy simple. De hecho, puedes simplemente tomar el chip, presiónelo en el extremo expuesto del paquete y obtenga las señales ".

Uno de los principales desafíos que abordaron los investigadores fue descubrir cómo estructurar la matriz. Tenía que ser fuerte y duradero, a pesar de que sus componentes principales son cientos de cables minúsculos. La solución fue envolver cada alambre en un polímero biológicamente seguro y luego agruparlos dentro de un collar de metal. Esto asegura que los cables estén separados y correctamente orientados. Debajo del cuello, el polímero se elimina para que los cables puedan dirigirse individualmente al cerebro.

Los dispositivos de interfaz cerebro-máquina existentes están limitados a aproximadamente 100 cables que ofrecen 100 canales de señal, y cada uno debe colocarse cuidadosamente en la matriz a mano. Los investigadores pasaron años refinando sus técnicas de diseño y fabricación para permitir la creación de una matriz con miles de canales; sus esfuerzos fueron respaldados, en parte, por una subvención Big Ideas del Instituto de Neurociencias de Wu Tsai.

"El diseño de este dispositivo es completamente diferente al de cualquier dispositivo de grabación de alta densidad existente, y la forma, el tamaño y la densidad de la matriz pueden variarse simplemente durante la fabricación. Esto significa que podemos registrar simultáneamente diferentes regiones del cerebro a diferentes profundidades con prácticamente cualquier disposición en 3-D, "dijo Jun Ding, profesor asistente de neurocirugía y neurología, y coautor del artículo. "Si se aplica ampliamente, esta tecnología superará en gran medida nuestra comprensión de la función cerebral en estados de salud y enfermedad ".

Después de pasar años persiguiendo esta ambiciosa pero elegante idea, no fue hasta el final del proceso que tuvieron un dispositivo que podría probarse en tejido vivo.

"Tuvimos que tomar kilómetros de microalambres y producir matrices a gran escala, luego conéctelos directamente a chips de silicio, "dijo Obaid, quien es el autor principal del artículo. "Después de años de trabajar en ese diseño, lo probamos en la retina por primera vez y funcionó de inmediato. Fue muy reconfortante ".

Tras sus pruebas iniciales en la retina y en ratones, los investigadores ahora están llevando a cabo estudios en animales a más largo plazo para comprobar la durabilidad de la matriz y el rendimiento de las versiones a gran escala. También están explorando qué tipo de datos puede reportar su dispositivo. Los resultados hasta ahora indican que pueden observar el aprendizaje y el fracaso a medida que suceden en el cerebro. Los investigadores son optimistas acerca de poder algún día usar la matriz para mejorar las tecnologías médicas para humanos. como prótesis mecánicas y dispositivos que ayudan a restaurar el habla y la visión.