Los dispositivos médicos implantables convencionales diseñados para la estimulación cerebral a menudo son demasiado rígidos y voluminosos para uno de los tejidos más suaves y delicados del cuerpo.
Para abordar el problema, los ingenieros de la Universidad de Rice han desarrollado nanoelectrodos ultraflexibles y mínimamente invasivos que podrían servir como una plataforma implantada para administrar terapia de estimulación de alta resolución a largo plazo.
Según un estudio publicado en Informes de celda, los diminutos dispositivos implantables formaron interfaces tejido-electrodo estables, duraderas y sin costuras con cicatrices o degradación mínimas en roedores. Los dispositivos emitieron pulsos eléctricos que coinciden con los patrones y amplitudes de señalización neuronal más estrechamente que los estímulos de los electrodos intracorticales convencionales.
La alta biocompatibilidad de los dispositivos y el control espaciotemporal preciso de los estímulos podrían permitir el desarrollo de nuevas terapias de estimulación cerebral, como prótesis neuronales para pacientes con funciones sensoriales o motoras alteradas.
«Este documento utiliza técnicas histológicas, conductuales y de imágenes para mostrar cómo estos electrodos integrados en tejido mejoran la eficacia de la estimulación», dijo Lan Luan, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática y autor correspondiente del estudio. «Nuestro electrodo emite pequeños pulsos eléctricos para excitar la actividad neuronal de una manera muy controlable.
«Pudimos reducir la corriente necesaria para provocar la activación neuronal en más de un orden de magnitud. Los pulsos pueden ser tan sutiles como un par de cientos de microsegundos de duración y uno o dos microamperios de amplitud».
El nuevo diseño de electrodos desarrollado por investigadores de la Iniciativa de Neuroingeniería de Rice representa una mejora significativa con respecto a los electrodos implantables convencionales utilizados para tratar afecciones como la enfermedad de Parkinson, la epilepsia y el trastorno obsesivo-compulsivo, que pueden causar respuestas adversas en los tejidos y cambios no deseados en la actividad neuronal.
«Los electrodos convencionales son muy invasivos», dijo Chong Xie, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y autor correspondiente del estudio. «Reclutan miles o incluso millones de neuronas a la vez.
«Se supone que cada una de esas neuronas tiene su propia sintonía y coordinación en un patrón específico. Pero cuando las descargas a todas al mismo tiempo, básicamente estás interrumpiendo su función. En algunos casos, eso funciona bien para ti y tiene el efecto deseado». efecto terapéutico. Pero si, por ejemplo, desea codificar información sensorial, necesita un control mucho mayor sobre los estímulos».
Xie comparó la estimulación a través de electrodos convencionales con el efecto perturbador de «hacer sonar una bocina de aire en el oído de todos o hacer sonar un altavoz» en una habitación llena de gente.
«Solíamos tener este altavoz muy grande, y ahora todos tienen un auricular», dijo.
La capacidad de ajustar la frecuencia, la duración y la intensidad de las señales podría permitir el desarrollo de nuevos dispositivos protésicos sensoriales.
«La activación de las neuronas es más difusa si usas una corriente más grande», dijo Luan. «Pudimos reducir la corriente y demostramos que tenemos una activación mucho más enfocada. Esto puede traducirse en dispositivos de estimulación de mayor resolución».
Luan y Xie son miembros principales de la Iniciativa de Neuroingeniería Rice y sus laboratorios también colaboran en el desarrollo de una prótesis visual implantable para pacientes ciegos.
«Imagínese que algún día podrá implantar conjuntos de electrodos para restaurar la función sensorial deteriorada: cuanto más enfocada y deliberada sea la activación de las neuronas, más precisa será la sensación que está generando», dijo Luan.
Se utilizó una iteración anterior de los dispositivos para registrar la actividad cerebral.
«Hemos tenido una serie de publicaciones que muestran que esta integración íntima del tejido habilitada por el diseño ultraflexible de nuestro electrodo realmente mejora nuestra capacidad para registrar la actividad cerebral durante más tiempo y con mejores relaciones señal-ruido», dijo Luan, quien ha sido ascendido a asociado profesor a partir del 1 de julio.
El asociado postdoctoral de ingeniería eléctrica e informática Roy Lycke y el estudiante graduado Robin Kim son los autores principales del estudio.
El Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares (R01NS109361, U01 NS115588) y los fondos internos de Rice apoyaron la investigación.
