Los ingenieros iluminan el camino hacia las prótesis operadas por nervios del futuro

Los ingenieros biomédicos y eléctricos de UNSW Sydney han desarrollado una nueva forma de medir la actividad neuronal utilizando luz, en lugar de electricidad, lo que podría conducir a una reinvención completa de las tecnologías médicas, como las prótesis operadas por nervios y las interfaces cerebro-máquina.

El profesor François Ladouceur, de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Telecomunicaciones de la UNSW, dice que el equipo multidisciplinario acaba de demostrar en el laboratorio lo que demostró teóricamente poco antes de la pandemia: que los sensores construidos con cristal líquido y tecnologías ópticas integradas, denominados «optrodes», puede registrar impulsos nerviosos en el cuerpo de un animal vivo.

Estos optrodes no solo funcionan tan bien como los electrodos convencionales, que usan electricidad para detectar un impulso nervioso, sino que también abordan «problemas muy espinosos que las tecnologías de la competencia no pueden abordar», dice el profesor Ladouceur.

«En primer lugar, es muy difícil reducir el tamaño de la interfaz usando electrodos convencionales para que miles de ellos puedan conectarse a miles de nervios dentro de un área muy pequeña».

«Uno de los problemas a medida que encoge miles de electrodos y los pone cada vez más juntos para conectarlos a los tejidos biológicos es que su resistencia individual aumenta, lo que degrada la relación señal-ruido, por lo que tenemos problemas para leer la señal. Llamamos este «desajuste de impedancia».

«Otro problema es lo que llamamos ‘diafonía’: cuando encoges estos electrodos y los acercas, comienzan a comunicarse o afectarse entre sí debido a su proximidad».

Pero debido a que los optrodos usan luz y no electricidad para detectar señales neuronales, los problemas de desajuste de impedancia son redundantes y se minimiza la diafonía.

«La verdadera ventaja de nuestro enfoque es que podemos hacer que esta conexión sea muy densa en el dominio óptico y no pagamos el precio que tiene que pagar en el dominio eléctrico», dice el Prof. Ladouceur.

Demostración en vivo

En una investigación publicada recientemente en la Revista de Ingeniería Neuralel Prof. Ladouceur y otros investigadores de la UNSW querían demostrar que podían usar optrodes para medir con precisión los impulsos neurales a medida que viajan a lo largo de una fibra nerviosa en un animal vivo.

El profesor de Scientia Nigel Lovell, que dirige la Escuela de Graduados de Ingeniería Biomédica y es Director del Instituto de Ingeniería de la Salud de la Fundación Tyree, formó parte del equipo de investigación que trató de demostrar esto en el laboratorio.

Dice que el equipo conectó un optrodo al nervio ciático de un animal anestesiado. A continuación, se estimuló el nervio con una pequeña corriente y se registraron las señales neuronales con el optrode. Luego hicieron lo mismo usando un electrodo convencional y un bioamplificador.

«Demostramos que las respuestas nerviosas eran esencialmente las mismas», dice el Prof. Lovell. «Todavía hay más ruido en el óptico, pero eso no es sorprendente dado que esta es una tecnología completamente nueva y podemos trabajar en eso. Pero, en última instancia, podríamos identificar las mismas características midiendo eléctricamente u ópticamente».

Nuevo amanecer para las prótesis

Hasta ahora, el equipo ha podido demostrar que los impulsos nerviosos, que son relativamente débiles y se miden en microvoltios, pueden registrarse mediante la tecnología optrode. El siguiente paso será ampliar el número de optrodes para poder manejar redes complejas de tejido nervioso y excitable.

El profesor Ladouceur dice que al comienzo del proyecto, sus colegas se preguntaron cuántas conexiones neuronales necesita un hombre o una mujer para operar una mano con cierto grado de delicadeza.

«Que puede levantar un objeto, que puede juzgar la fricción, puede aplicar la presión adecuada para sostenerlo, puede moverse de A a B con precisión, puede ir rápido y lento, todas estas cosas que no hacemos». Ni siquiera pensar en cuándo realizamos estas acciones. La respuesta no es tan obvia, tuvimos que buscar bastante en la literatura, pero creemos que son alrededor de 5000 a 10,000 conexiones».

En otras palabras, entre su cerebro y su mano hay un manojo de nervios que viaja desde su corteza y eventualmente se divide en esos 5000 a 10,000 nervios que controlan las delicadas operaciones de su mano.

Si un chip con miles de conexiones ópticas pudiera conectarse a su cerebro, o a algún lugar del brazo antes de que se separe el haz de nervios, una prótesis de mano podría funcionar con la misma capacidad que una mano biológica.

Ese es el sueño, de todos modos, y el profesor Ladouceur dice que es probable que pasen décadas de investigación adicional antes de que sea una realidad. Esto incluiría el desarrollo de la capacidad para que los optrodes sean bidireccionales. No solo recibirían e interpretarían señales del cerebro en el camino hacia el cuerpo, sino que podrían recibir retroalimentación en forma de impulsos neuronales que regresan al cerebro.

El juego largo: interfaz cerebro-máquina

La prótesis neural no es el único espacio que la tecnología optrode tiene el potencial de redefinir. Los humanos han fantaseado durante mucho tiempo con la integración de tecnología y maquinaria en el cuerpo humano para repararlo o mejorarlo.

Parte de esto es ahora una realidad, como los implantes cocleares, los marcapasos y los desfibriladores cardíacos, sin mencionar los relojes inteligentes y otros dispositivos de seguimiento que brindan biorretroalimentación continua.

Pero uno de los objetivos más ambiciosos de la ingeniería biomédica y la neurociencia es la interfaz cerebro-máquina que tiene como objetivo conectar el cerebro no solo con el resto del cuerpo, sino potencialmente con el mundo.

«El área de la interfaz neuronal es un campo increíblemente emocionante y será objeto de una intensa investigación y desarrollo durante la próxima década», dice el profesor Lovell.

Si bien esto es más ficción que realidad en este momento, hay muchas empresas de biotecnología que se lo toman muy en serio. El empresario Elon Musk fue uno de los cofundadores de Neuralink, cuyo objetivo es crear interfaces cerebro-computadora con el potencial de ayudar a las personas con parálisis, además de incorporar inteligencia artificial en nuestras actividades cerebrales.

El enfoque de Neuralink utiliza electrodos de alambre convencionales en sus dispositivos, por lo que debe superar el desajuste de impedancia y la diafonía, entre muchos otros desafíos, si van a desarrollar dispositivos que alberguen miles, si no millones, de conexiones entre el cerebro y el dispositivo implantado. Recientemente, se informó que Musk estaba frustrado por la lentitud en el desarrollo de la tecnología.

El Prof. Ladouceur dice que el tiempo dirá si Neuralink y sus competidores logran eliminar estos obstáculos. Sin embargo, dado que los dispositivos implantables in vivo que capturan la actividad neuronal actualmente están limitados a alrededor de 100 electrodos, todavía queda un largo camino por recorrer.

«No digo que sea imposible, pero se vuelve realmente problemático si se apega a los electrodos estándar», dice el profesor Ladouceur.

«No tenemos estos problemas en el dominio óptico. En nuestros dispositivos, si hay actividad neuronal, su presencia influye en la orientación del cristal líquido que podemos detectar y cuantificar al iluminarlo. Significa que no extraer corriente de los tejidos biológicos como lo hacen los electrodos de alambre. Y así la biodetección se puede hacer de manera mucho más eficiente».

Ahora que los investigadores han demostrado que el método optrode funciona in vivo, en breve publicarán investigaciones que muestran que la tecnología optrode es bidireccional, que no solo puede leer señales neuronales, sino que también puede escribirlas.