Los investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado un nuevo dispositivo para conectar el cerebro directamente a tecnologías basadas en silicio. Si bien los dispositivos de interfaz cerebro-máquina ya existen, y se utilizan para prótesis, tratamiento de enfermedades e investigación del cerebro, este último dispositivo puede registrarmás datos mientras es menos intrusivo que las opciones existentes.
"Nadie ha tomado estos electrónicos de silicio 2D y los ha emparejado con la arquitectura tridimensional del cerebro antes", dijo Abdulmalik Obaid, un estudiante graduado en ciencias e ingeniería de materiales en Stanford. "Tuvimos que desechar lo que ya sabemossobre la fabricación de chips convencionales y el diseño de nuevos procesos para llevar la electrónica de silicio a la tercera dimensión. Y tuvimos que hacerlo de una manera que pudiera ampliarse fácilmente ".
El dispositivo, el tema de un artículo publicado el 20 de marzo en Avances científicos , contiene un paquete de microhilos, con cada cable de menos de la mitad del ancho del cabello humano más delgado. Estos cables delgados pueden insertarse suavemente en el cerebro y conectarse directamente al exterior a un chip de silicio que registra las señales eléctricas del cerebro que pasanpor cada cable, como hacer una película de actividad eléctrica neuronal. Las versiones actuales del dispositivo incluyen cientos de microhilos, pero las versiones futuras podrían contener miles.
"La actividad eléctrica es una de las formas de mayor resolución de ver la actividad cerebral", dijo Nick Melosh, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y coautor principal del artículo. "Con esta matriz de microhilos, podemos verqué está sucediendo en el nivel de neurona única "
Los investigadores probaron su interfaz cerebro-máquina en células retinianas aisladas de ratas y cerebros de ratones vivos. En ambos casos, obtuvieron con éxito señales significativas a través de los cientos de canales de la matriz. La investigación en curso determinará cuánto más tiempo puede el dispositivopermanecen en el cerebro y lo que pueden revelar estas señales. El equipo está especialmente interesado en lo que las señales pueden decirles sobre el aprendizaje. Los investigadores también están trabajando en aplicaciones en prótesis, particularmente asistencia de habla.
Vale la pena esperar
Los investigadores sabían que, para lograr sus objetivos, tenían que crear una interfaz cerebro-máquina que no solo fuera duradera, sino que también fuera capaz de establecer una conexión cercana con el cerebro y causar un daño mínimo. Se centraron enconectarse a dispositivos basados en silicio para aprovechar los avances en esas tecnologías.
"Los chips de silicio son tan potentes y tienen una capacidad increíble para escalar", dijo Melosh. "Nuestra matriz se combina con esa tecnología de manera muy simple. En realidad, puede tomar el chip, presionarlo en el extremo expuesto del paquete y obtenerlas señales "
Un desafío principal que los investigadores abordaron fue descubrir cómo estructurar la matriz. Tenía que ser fuerte y duradero, a pesar de que sus componentes principales son cientos de cables minúsculos. La solución fue envolver cada cable en un polímero biológicamente seguro yluego agrúpelos dentro de un collar de metal. Esto asegura que los cables estén separados y correctamente orientados. Debajo del collar, el polímero se retira para que los cables puedan dirigirse individualmente al cerebro.
Los dispositivos de interfaz cerebro-máquina existentes están limitados a unos 100 cables que ofrecen 100 canales de señal, y cada uno debe colocarse minuciosamente en la matriz a mano. Los investigadores pasaron años refinando sus técnicas de diseño y fabricación para permitir la creación de una matriz conmiles de canales: sus esfuerzos apoyados, en parte, por una subvención de Big Ideas del Instituto de Neurociencias Wu Tsai.
"El diseño de este dispositivo es completamente diferente de cualquier dispositivo de grabación de alta densidad existente, y la forma, el tamaño y la densidad de la matriz se pueden variar simplemente durante la fabricación. Esto significa que podemos grabar simultáneamente diferentes regiones del cerebro a diferentes profundidadescon prácticamente cualquier arreglo 3D ", dijo Jun Ding, profesor asistente de neurocirugía y neurología, y coautor del artículo." Si se aplica ampliamente, esta tecnología sobresaldrá en gran medida nuestra comprensión de la función cerebral en los estados de salud y enfermedad ".
Después de pasar años persiguiendo esta idea ambiciosa pero elegante, no fue hasta el final del proceso que tuvieron un dispositivo que se pudo probar en tejido vivo.
"Tuvimos que tomar kilómetros de microhilos y producir matrices a gran escala, luego conectarlos directamente a chips de silicio", dijo Obaid, quien es el autor principal del artículo. "Después de años de trabajar en ese diseño, lo probamos enla retina por primera vez y funcionó de inmediato. Fue extremadamente tranquilizador ".
Después de sus pruebas iniciales en la retina y en ratones, los investigadores ahora están realizando estudios en animales a más largo plazo para verificar la durabilidad de la matriz y el rendimiento de las versiones a gran escala. También están explorando qué tipo de datos puede ofrecer su dispositivoinforme. Los resultados hasta ahora indican que pueden ver el aprendizaje y el fracaso mientras suceden en el cerebro. Los investigadores son optimistas acerca de poder algún día utilizar la matriz para mejorar las tecnologías médicas para los humanos, como prótesis mecánicas y dispositivos que ayudanrestaurar el habla y la visión.
Otros coautores de Stanford incluyen a Mina-Elraheb Hanna co-líder, ex estudiante de doctorado en el laboratorio Melosh; Yu-Wei Wu co-líder, un ex becario postdoctoral en el laboratorio de Ding que ahora está en el Institutode Biología Molecular, Academia Sínica; Nora Brackbill, una estudiante graduada en el laboratorio Chichilnisky; y EJ Chichilnisky, el Profesor John R. Adler de Neurocirugía y profesor de oftalmología. Otros coautores son del Instituto Francis Crick co-director, University College London codirector, Paradromics Inc. codirector y ETH Zurich.
Chichilnisky es miembro de Stanford Bio-X y del Instituto de Neurociencias Wu Tsai. Ding es miembro de Stanford Bio-X, del Instituto de Investigación de Salud Maternoinfantil MCHRI y del Instituto de Neurociencias Wu Tsai. Melosh es miembrode Stanford Bio-X y el Instituto de Neurociencias Wu Tsai; un afiliado del Instituto Precourt para la Energía; y miembro de la facultad de Stanford ChEM-H.
Esta investigación fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud, DARPA, el Instituto de Neurociencias Wu Tsai, el Instituto Francis Crick, el Wellcome Trust, el Programa de Ciencias de la Frontera Humana y el Consejo de Investigación Médica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Taylor Kubota. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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