Investigadores de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un implante neuronal que proporciona información sobre la actividad en lo profundo del cerebro mientras se está sentado en su superficie. El implante está formado por una tira de polímero delgada, transparente y flexible que está repleta de una densa serie de electrodos de grafeno. La tecnología, probada en ratones transgénicos, acerca a los investigadores a la construcción de una interfaz cerebro-computadora (BCI) mínimamente invasiva que proporciona datos de alta resolución sobre la actividad neuronal profunda mediante el uso de grabaciones de la superficie del cerebro.
El trabajo está publicado en Nature Nanotechnology .
"Estamos ampliando el alcance espacial de las grabaciones neuronales con esta tecnología", dijo el autor principal del estudio, Duygu Kuzum, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego. "Aunque nuestro implante reside en la superficie del cerebro, su diseño va más allá de los límites de la detección física, ya que puede inferir la actividad neuronal desde capas más profundas".
Este trabajo supera las limitaciones de las tecnologías actuales de implantes neuronales. Los conjuntos de superficie existentes, por ejemplo, son mínimamente invasivos, pero carecen de la capacidad de capturar información más allá de las capas externas del cerebro. Por el contrario, los conjuntos de electrodos con agujas finas que penetran en el cerebro son capaces de sondear capas más profundas, pero a menudo provocan inflamación y cicatrices, lo que compromete la calidad de la señal con el tiempo.
El nuevo implante neuronal desarrollado en UC San Diego ofrece lo mejor de ambos mundos.
El implante es una tira de polímero delgada, transparente y flexible que se adapta a la superficie del cerebro. La tira está incrustada con una matriz de alta densidad de pequeños electrodos circulares de grafeno, cada uno de los cuales mide 20 micrómetros de diámetro. Cada electrodo está conectado mediante un cable de grafeno de micrómetros de espesor a una placa de circuito.
En pruebas con ratones transgénicos, el implante permitió a los investigadores capturar información de alta resolución sobre dos tipos de actividad neuronal (actividad eléctrica y actividad del calcio) al mismo tiempo. Cuando se colocó en la superficie del cerebro, el implante registró señales eléctricas de las neuronas en las capas externas. Al mismo tiempo, los investigadores utilizaron un microscopio de dos fotones para hacer brillar una luz láser a través del implante y obtener imágenes de los picos de calcio de las neuronas ubicadas a una profundidad de hasta 250 micrómetros debajo de la superficie.
Los investigadores encontraron una correlación entre las señales eléctricas de la superficie y los picos de calcio en las capas más profundas. Esta correlación permitió a los investigadores utilizar señales eléctricas de superficie para entrenar redes neuronales para predecir la actividad del calcio (no sólo para grandes poblaciones de neuronas, sino también para neuronas individuales) a diversas profundidades.
"El modelo de red neuronal está entrenado para aprender la relación entre los registros eléctricos de la superficie y la actividad de los iones de calcio de las neuronas en profundidad", dijo Kuzum. "Una vez que conozca esa relación, podremos usar el modelo para predecir la actividad profunda desde la superficie".
Una ventaja de poder predecir la actividad del calcio a partir de señales eléctricas es que supera las limitaciones de los experimentos de imágenes. Para obtener imágenes de picos de calcio, la cabeza del sujeto debe fijarse bajo un microscopio. Además, estos experimentos sólo pueden durar una o dos horas a la vez.
"Dado que las grabaciones eléctricas no tienen estas limitaciones, nuestra tecnología hace posible realizar experimentos de mayor duración en los que el sujeto es libre de moverse y realizar tareas conductuales complejas", dijo el coautor del estudio, Mehrdad Ramezani, ingeniero eléctrico e informático. Doctor. estudiante en el laboratorio de Kuzum. "Esto puede proporcionar una comprensión más completa de la actividad neuronal en escenarios dinámicos del mundo real".
La tecnología debe su éxito a varias características de diseño innovadoras:transparencia y alta densidad de electrodos combinadas con métodos de aprendizaje automático.
"Esta nueva generación de electrodos de grafeno transparentes integrados a alta densidad nos permite muestrear la actividad neuronal con mayor resolución espacial", dijo Kuzum. "Como resultado, la calidad de las señales mejora significativamente. Lo que hace que esta tecnología sea aún más notable es la integración de métodos de aprendizaje automático, que permiten predecir la actividad neuronal profunda a partir de señales superficiales".
Este estudio fue un esfuerzo de colaboración entre múltiples grupos de investigación de UC San Diego. El equipo, dirigido por Kuzum, que se especializa en el desarrollo de interfaces neuronales multimodales, incluye al profesor de nanoingeniería Ertugrul Cubukcu, que se especializa en técnicas avanzadas de micro y nanofabricación para materiales de grafeno; el profesor de ingeniería eléctrica e informática Vikash Gilja, cuyo laboratorio integra conocimientos de dominios específicos de los campos de la neurociencia básica, el procesamiento de señales y el aprendizaje automático para decodificar señales neuronales; y el profesor de neurobiología y neurociencias Takaki Komiyama, cuyo laboratorio se centra en investigar los mecanismos de los circuitos neuronales que subyacen a los comportamientos flexibles.
La transparencia es una de las características clave de este implante neuronal. Los implantes tradicionales utilizan materiales metálicos opacos para sus electrodos y cables, que bloquean la visión de las neuronas debajo de los electrodos durante los experimentos de imágenes. Por el contrario, un implante fabricado con grafeno es transparente, lo que proporciona un campo de visión completamente claro para un microscopio durante los experimentos de imágenes.
"Sólo con esta tecnología es posible una integración perfecta del registro de señales eléctricas y la visualización óptica de la actividad neuronal al mismo tiempo", afirmó Kuzum. "Poder realizar ambos experimentos al mismo tiempo nos proporciona datos más relevantes porque podemos ver cómo los experimentos de imágenes están acoplados en el tiempo a las grabaciones eléctricas".
Para hacer que el implante fuera completamente transparente, los investigadores utilizaron cables de grafeno largos y súper delgados en lugar de cables metálicos tradicionales para conectar los electrodos a la placa de circuito. Sin embargo, fabricar una sola capa de grafeno como un cable largo y delgado es un desafío porque cualquier defecto hará que el cable no funcione, explicó Ramezani. "Puede haber un espacio en el cable de grafeno que impide que la señal eléctrica fluya, por lo que básicamente terminas con un cable roto".
Los investigadores abordaron este problema utilizando una técnica inteligente. En lugar de fabricar los cables como una sola capa de grafeno, los fabricaron como una doble capa dopada con ácido nítrico en el medio.
"Al tener dos capas de grafeno una encima de la otra, hay muchas posibilidades de que los defectos en una capa queden enmascarados por la otra capa, asegurando la creación de cables de grafeno largos, delgados y completamente funcionales con una conductividad mejorada", dijo Ramezani.
Según los investigadores, este estudio demuestra la matriz de electrodos transparentes más densamente empaquetada en un implante neural colocado en la superficie hasta la fecha. Lograr una alta densidad requirió fabricar electrodos de grafeno extremadamente pequeños. Esto presentó un desafío considerable, ya que la reducción del tamaño de los electrodos de grafeno aumenta su impedancia, lo que dificulta el flujo de corriente eléctrica necesaria para registrar la actividad neuronal.
Para superar este obstáculo, los investigadores utilizaron una técnica de microfabricación desarrollada por el laboratorio de Kuzum que consiste en depositar nanopartículas de platino en electrodos de grafeno. Este enfoque mejoró significativamente el flujo de electrones a través de los electrodos, manteniéndolos pequeños y transparentes.
A continuación, el equipo se centrará en probar la tecnología en diferentes modelos animales, con el objetivo final de su traducción humana en el futuro.
El grupo de investigación de Kuzum también se dedica a utilizar la tecnología para avanzar en la investigación de la neurociencia fundamental. Con ese espíritu, están compartiendo la tecnología con laboratorios de EE. UU. y Europa, contribuyendo a diversos estudios que van desde comprender cómo se acopla la actividad vascular a la actividad eléctrica en el cerebro hasta investigar cómo las células del cerebro son tan eficientes en la creación de memoria espacial. .
"Esta tecnología se puede utilizar para muchas investigaciones diferentes de neurociencia fundamental y estamos ansiosos por hacer nuestra parte para acelerar el progreso hacia una mejor comprensión del cerebro humano", afirmó Kuzum.
Más información: Matrices de grafeno transparente de alta densidad para predecir la actividad del calcio celular en profundidad a partir de registros de potencial superficial, Nanotecnología natural (2024). DOI:10.1038/s41565-023-01576-z
Información de la revista: Nanotecnología de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de California - San Diego
