Las fibras de nanotubos de carbono inventadas en la Universidad de Rice pueden proporcionar la mejor manera de comunicarse directamente con el cerebro.

Las fibras han demostrado ser superiores a los electrodos metálicos para la estimulación cerebral profunda y para leer señales de una red neuronal. Debido a que proporcionan una conexión bidireccional, se muestran prometedores para el tratamiento de pacientes con trastornos neurológicos mientras monitorean la respuesta en tiempo real de los circuitos neuronales en áreas que controlan el movimiento, estado de ánimo y funciones corporales.

Nuevos experimentos en Rice demostraron que las fibras biocompatibles son candidatas ideales para pequeñas, electrodos seguros que interactúan con el sistema neuronal del cerebro, según los investigadores. Podrían reemplazar electrodos mucho más grandes que se utilizan actualmente en dispositivos para terapias de estimulación cerebral profunda en pacientes con enfermedad de Parkinson.

También pueden promover tecnologías para restaurar las funciones sensoriales o motoras y las interfaces cerebro-máquina, así como terapias de estimulación cerebral profunda para otros trastornos neurológicos. incluyendo distonía y depresión, escribieron los investigadores.

El artículo apareció en línea esta semana en la revista American Chemical Society. ACS Nano .

Las fibras creadas por el laboratorio de Rice del químico e ingeniero químico Matteo Pasquali consisten en haces de nanotubos largos originalmente destinados a aplicaciones aeroespaciales donde la fuerza, el peso y la conductividad son primordiales.

Los nanotubos individuales miden solo unos pocos nanómetros de ancho, pero cuando millones se agrupan en un proceso llamado hilado en húmedo, se convierten en fibras parecidas a hilos de aproximadamente un cuarto del ancho de un cabello humano.

"Desarrollamos estas fibras como de alta resistencia, materiales de alta conductividad, "Dijo Pasquali." Sin embargo, una vez que los tuvimos en la mano, nos dimos cuenta de que tenían una propiedad inesperada:son realmente suaves, como un hilo de seda. Su combinación única de fuerza, la conductividad y la suavidad los hace ideales para interactuar con la función eléctrica del cuerpo humano ".

La llegada simultánea en 2012 de Caleb Kemere, un profesor asistente de Rice que aportó su experiencia en modelos animales de la enfermedad de Parkinson, y la autora principal Flavia Vitale, un científico investigador en el laboratorio de Pasquali con títulos en ingeniería química y biomédica, impulsó la investigación.

"El cerebro tiene básicamente la consistencia del pudín y no interactúa bien con los electrodos metálicos rígidos, ", Dijo Kemere." El sueño es tener electrodos con la misma consistencia, y es por eso que estamos realmente entusiasmados con estas fibras flexibles de nanotubos de carbono y su biocompatibilidad a largo plazo ".

Las pruebas de semanas de duración en células y luego en ratas con síntomas de Parkinson demostraron que las fibras son estables y tan eficientes como los electrodos de platino comerciales con solo una fracción del tamaño. Las fibras suaves causaron poca inflamación, lo que ayudó a mantener fuertes conexiones eléctricas con las neuronas al evitar que las defensas del cuerpo dejaran cicatrices y encapsularan el sitio de la lesión.

Las fibras de nanotubos de carbono de alta conductividad también muestran una impedancia mucho más favorable, la calidad de la conexión eléctrica, que los electrodos metálicos de última generación. lo que permite un mejor contacto a voltajes más bajos durante períodos prolongados, Dijo Kemere.

El extremo de trabajo de la fibra es la punta expuesta, que tiene aproximadamente el ancho de una neurona. El resto está revestido con una capa de tres micrones de un flexible, polímero biocompatible con excelentes propiedades aislantes.

El desafío está en colocar las puntas. "Eso es solo una cuestión de tener un atlas cerebral, y durante el experimento ajustando los electrodos con mucha delicadeza y colocándolos en el lugar correcto, "dijo Kemere, cuyo laboratorio estudia formas de conectar los sistemas de procesamiento de señales y los centros cognitivos y de memoria del cerebro.

Los médicos que implantan dispositivos de estimulación cerebral profunda comienzan con una sonda de grabación capaz de "escuchar" neuronas que emiten señales características según sus funciones. Dijo Kemere. Una vez que un cirujano encuentra el lugar correcto, se retira la sonda y se inserta suavemente el electrodo estimulante. Las fibras de nanotubos de carbono de arroz que envían y reciben señales simplificarían la implantación, Dijo Vitale.

Las fibras podrían conducir a dispositivos terapéuticos autorreguladores para el Parkinson y otros pacientes. Los dispositivos actuales incluyen un implante que envía señales eléctricas al cerebro para calmar los temblores que afligen a los pacientes de Parkinson.

"Pero nuestra tecnología permite grabar mientras estimula, "Dijo Vitale." Los electrodos de corriente sólo pueden estimular el tejido. Son demasiado grandes para detectar cualquier actividad de picos, así que básicamente los dispositivos clínicos envían pulsos continuos independientemente de la respuesta del cerebro ".

Kemere prevé un sistema de circuito cerrado que puede leer señales neuronales y adaptar la terapia de estimulación en tiempo real. Anticipa la construcción de un dispositivo con muchos electrodos que se pueden direccionar individualmente para obtener un control fino sobre la estimulación y el monitoreo desde un pequeño, dispositivo implantable.

"Curiosamente, la conductividad no es la propiedad eléctrica más importante de las fibras de nanotubos, ", Dijo Pasquali." Estas fibras son intrínsecamente porosas y extremadamente estables, que son grandes ventajas sobre los electrodos metálicos para detectar señales electroquímicas y mantener el rendimiento durante largos períodos de tiempo ".