Investigadores de ingeniería han inventado una avanzada interfaz cerebro-computadora con un respaldo flexible y moldeable y microagujas penetrantes. Agregar un respaldo flexible a este tipo de interfaz cerebro-computadora permite que el dispositivo se adapte de manera más uniforme a la compleja superficie curva del cerebro y distribuya de manera más uniforme las microagujas que perforan la corteza. Las microagujas, que son 10 veces más delgadas que el cabello humano, sobresalen del respaldo flexible, penetran la superficie del tejido cerebral sin perforar las vénulas superficiales y registran las señales de las células nerviosas cercanas de manera uniforme en una amplia área de la corteza.
Esta nueva interfaz cerebro-computadora se ha probado hasta ahora en roedores. Los detalles se publicaron en línea el 25 de febrero en la revista Advanced Functional Materials. Este trabajo está dirigido por un equipo en el laboratorio del profesor de ingeniería eléctrica Shadi Dayeh en la Universidad de California en San Diego, junto con investigadores de la Universidad de Boston dirigidos por la profesora de ingeniería biomédica Anna Devor.
Esta nueva interfaz cerebro-computadora está a la par y supera al «Utah Array», que es el estándar de oro existente para las interfaces cerebro-computadora con microagujas penetrantes. Se ha demostrado que Utah Array ayuda a las víctimas de accidentes cerebrovasculares y a las personas con lesiones en la médula espinal. Las personas con Utah Arrays implantados pueden usar sus pensamientos para controlar extremidades robóticas y otros dispositivos para restaurar algunas actividades cotidianas, como mover objetos.
El respaldo de la nueva interfaz cerebro-computadora es flexible, adaptable y reconfigurable, mientras que el Utah Array tiene un respaldo duro e inflexible. La flexibilidad y adaptabilidad del respaldo de la nueva matriz de microagujas favorece un contacto más cercano entre el cerebro y los electrodos, lo que permite un registro mejor y más uniforme de las señales de actividad cerebral. Trabajando con roedores como especie modelo, los investigadores han demostrado grabaciones de banda ancha estables que producen señales sólidas durante la duración del implante, que duró 196 días.
Además, la forma en que se fabrican las interfaces cerebro-computadora de respaldo suave permite superficies de detección más grandes, lo que significa que se puede monitorear simultáneamente un área significativamente más grande de la superficie del cerebro. En el Materiales Funcionales Avanzados En el artículo, los investigadores demuestran que una matriz de microagujas penetrantes con 1.024 microagujas registró con éxito señales desencadenadas por estímulos precisos de los cerebros de ratas. Esto representa diez veces más microagujas y diez veces el área de cobertura del cerebro, en comparación con las tecnologías actuales.
Soportes más delgados y transparentes
Estas interfaces cerebro-computadora de respaldo blando son más delgadas y livianas que los respaldos de vidrio tradicionales de este tipo de interfaces cerebro-computadora. Los investigadores señalan en su artículo sobre Materiales Funcionales Avanzados que los respaldos ligeros y flexibles pueden reducir la irritación del tejido cerebral que entra en contacto con los conjuntos de sensores.
Los respaldos flexibles también son transparentes. En el nuevo artículo, los investigadores demuestran que esta transparencia se puede aprovechar para realizar investigaciones neurocientíficas fundamentales que involucran modelos animales que de otro modo no serían posibles. El equipo, por ejemplo, demostró el registro eléctrico simultáneo de conjuntos de microagujas penetrantes, así como la fotoestimulación optogenética.
Fabricación litográfica a dos caras
La flexibilidad, las huellas de matriz de microagujas más grandes, la reconfigurabilidad y la transparencia de los respaldos de los nuevos sensores cerebrales se deben al enfoque de litografía de doble cara que utilizaron los investigadores.
Conceptualmente, a partir de una oblea de silicio rígido, el proceso de fabricación del equipo les permite construir circuitos y dispositivos microscópicos en ambos lados de la oblea de silicio rígido. Por un lado, se agrega una película transparente y flexible sobre la oblea de silicio. Dentro de esta película, se incrusta una bicapa de trazas de titanio y oro para que las trazas se alineen con el lugar donde se fabricarán las agujas en el otro lado de la oblea de silicio.
Trabajando desde el otro lado, después de agregar la película flexible, todo el silicio se graba, excepto las columnas de silicio delgadas y puntiagudas independientes. Estas columnas puntiagudas de silicio son, de hecho, las microagujas, y sus bases se alinean con las trazas de titanio y oro dentro de la capa flexible que queda después de que se ha grabado el silicio. Estas trazas de titanio y oro están modeladas a través de técnicas de microfabricación estándar y escalables, lo que permite una producción escalable con un trabajo manual mínimo. El proceso de fabricación ofrece la posibilidad de un diseño de matriz flexible y escalabilidad a decenas de miles de microagujas.
Hacia sistemas de circuito cerrado
Mirando hacia el futuro, se necesitarán conjuntos de microagujas penetrantes con una gran cobertura espacial para mejorar las interfaces cerebro-máquina hasta el punto de que puedan usarse en «sistemas de circuito cerrado» que pueden ayudar a las personas con movilidad severamente limitada. Por ejemplo, este tipo de sistema de circuito cerrado podría ofrecer a una persona que usa una mano robótica retroalimentación táctica en tiempo real sobre los objetos que la mano robótica está agarrando.
Los sensores táctiles en la mano robótica detectarían la dureza, la textura y el peso de un objeto. Esta información registrada por los sensores se traduciría en patrones de estimulación eléctrica que viajan a través de cables fuera del cuerpo hasta la interfaz cerebro-computadora con microagujas penetrantes. Estas señales eléctricas proporcionarían información directamente al cerebro de la persona sobre la dureza, la textura y el peso del objeto. A su vez, la persona ajustaría su fuerza de agarre en función de la información detectada directamente desde el brazo robótico.
Este es solo un ejemplo del tipo de sistema de circuito cerrado que podría ser posible una vez que las matrices de microagujas penetrantes puedan hacerse más grandes para adaptarse al cerebro y coordinar la actividad a través de los centros de «comando» y «retroalimentación» del cerebro.
Previamente, el laboratorio de Dayeh inventó y demostró los tipos de sensores táctiles que serían necesarios para este tipo de aplicación, como se destaca en este video.
Camino a la comercialización
Los procesos avanzados de microfabricación litográfica de doble cara descritos en este documento están patentados (US 10856764). Dayeh cofundó Precision Neurotek Inc. para traducir tecnologías innovadas en su laboratorio para avanzar en la práctica clínica y avanzar en los campos de la neurociencia y la neurofisiología.
