Los ingenieros de Berkeley de la Universidad de California han construido los primeros sensores inalámbricos del tamaño del polvo que pueden implantarse en el cuerpo, acercándose el día en que un dispositivo similar a Fitbit podría monitorear nervios internos, músculos u órganos en tiempo real.
Debido a que estos sensores sin batería también se pueden usar para estimular los nervios y los músculos, la tecnología también abre la puerta a los "productos farmacéuticos" para tratar trastornos como la epilepsia o para estimular el sistema inmunitario o reducir la inflamación.
El llamado polvo neural, que el equipo implantó en los músculos y los nervios periféricos de las ratas, es único en el sentido de que el ultrasonido se usa para alimentar y leer las mediciones. La tecnología de ultrasonido ya está bien desarrollada para uso hospitalario, yLas vibraciones de ultrasonido pueden penetrar en casi cualquier parte del cuerpo, a diferencia de las ondas de radio, dicen los investigadores.
"Creo que las perspectivas a largo plazo para el polvo neural no solo están dentro de los nervios y el cerebro, sino que son mucho más amplias", dijo Michel Maharbiz, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y uno de los dos autores principales del estudio ".Tener acceso a la telemetría en el cuerpo nunca ha sido posible porque no ha habido forma de poner algo de supertiny súper profundo. Pero ahora no puedo tomar una mota de nada y estacionarlo al lado de un nervio u órgano, su tracto gastrointestinal o un músculo, ylea los datos "
Maharbiz, neurocientífico José Carmena, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y miembro del Instituto de Neurociencia Helen Wills, y sus colegas informarán sus hallazgos en la edición del 3 de agosto de la revista neurona .
Los sensores, que los investigadores ya han reducido a un cubo de 1 milímetro, aproximadamente del tamaño de un gran grano de arena, contienen un cristal piezoeléctrico que convierte las vibraciones de ultrasonido del exterior del cuerpo en electricidad para alimentar un pequeño y encendido-Transistor de placa que está en contacto con un nervio o fibra muscular. Un pico de voltaje en la fibra altera el circuito y la vibración del cristal, lo que cambia el eco detectado por el receptor de ultrasonido, típicamente el mismo dispositivo que genera las vibraciones.cambio, llamado retrodispersión, les permite determinar el voltaje.
Motas esparcidas por todo el cuerpo
En su experimento, el equipo de UC Berkeley activó los sensores pasivos cada 100 microsegundos con seis pulsos de ultrasonido de 540 nanosegundos, lo que les dio una lectura continua en tiempo real. Cubrieron las motas de primera generación, de 3 milímetros de largo,1 milímetro de alto y 4/5 milímetro de grosor, con epoxi de grado quirúrgico, pero actualmente están construyendo motas a partir de películas delgadas biocompatibles que potencialmente durarían en el cuerpo sin degradarse durante una década o más.
Mientras que los experimentos hasta ahora han involucrado el sistema nervioso periférico y los músculos, las motas de polvo neural podrían funcionar igualmente bien en el sistema nervioso central y el cerebro para controlar las prótesis, dicen los investigadores. Los electrodos implantables de hoy se degradan en 1 a 2 años, ytodos se conectan a cables que pasan a través de agujeros en el cráneo. Los sensores inalámbricos, decenas a cien, pueden sellarse para evitar infecciones y movimientos no deseados de los electrodos.
"El objetivo original del proyecto de polvo neuronal era imaginar la próxima generación de interfaces cerebro-máquina y convertirla en una tecnología clínica viable", dijo el estudiante graduado en neurociencia Ryan Neely. "Si un parapléjico quiere controlar una computadora oun brazo robótico, simplemente implantaría este electrodo en el cerebro y duraría esencialmente toda la vida ".
En un artículo publicado en línea en 2013, los investigadores estimaron que podrían reducir los sensores a un cubo de 50 micras por lado, aproximadamente 2 milésimas de pulgada, o la mitad del ancho de un cabello humano. A ese tamaño,las motas podrían acurrucarse en unos pocos axones nerviosos y registrar continuamente su actividad eléctrica.
"La belleza es que ahora, los sensores son lo suficientemente pequeños como para tener una buena aplicación en el sistema nervioso periférico, para el control de la vejiga o la supresión del apetito, por ejemplo", dijo Carmena. "La tecnología aún no está disponible parael tamaño objetivo de 50 micrones, que necesitaríamos para el cerebro y el sistema nervioso central. Sin embargo, una vez que esté clínicamente probado, el polvo neural simplemente reemplazará los electrodos de alambre. Esta vez, una vez que cierre el cerebro, habrá terminado ".
El equipo está trabajando ahora para miniaturizar aún más el dispositivo, encontrar más materiales biocompatibles y mejorar el transceptor de superficie que envía y recibe los ultrasonidos, idealmente usando tecnología de dirección de haz para enfocar las ondas de sonido en motas individuales. Ahora están construyendo pequeñas mochilaspara que las ratas sostengan el transceptor de ultrasonido que registrará datos de motas implantadas.
También están trabajando para ampliar la capacidad de las motas para detectar señales no eléctricas, como los niveles de oxígeno u hormona.
"La visión es implantar estas motas de polvo neural en cualquier parte del cuerpo, y hacer que un parche sobre el sitio implantado envíe ondas ultrasónicas para despertarse y recibir la información necesaria de las motas para la terapia deseada que desea", dijo Dongjin Seo,estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación. "Eventualmente usaría múltiples implantes y un parche que haría ping a cada implante individualmente, o todos simultáneamente".
Ultrasonido vs radio
Maharbiz y Carmena concibieron la idea del polvo neural hace unos cinco años, pero los intentos de alimentar un dispositivo implantable y leer los datos usando ondas de radio fueron decepcionantes. La radio se atenúa muy rápidamente con la distancia en el tejido, por lo que la comunicación con los dispositivos en profundidadel cuerpo sería difícil sin usar radiación de alta intensidad potencialmente dañina.
Marharbiz tuvo la idea de la ecografía, y en 2013 publicó un documento con Carmena, Seo y sus colegas describiendo cómo podría funcionar un sistema así. "Nuestro primer estudio demostró que la física fundamental de la ecografía permitió implantes muy, muy pequeños quepodría registrar y comunicar datos neuronales ", dijo Maharbiz. Él y sus alumnos ahora han creado ese sistema.
"El ultrasonido es mucho más eficiente cuando se apunta a dispositivos que están en la escala milimétrica o más pequeños y que están incrustados profundamente en el cuerpo", dijo Seo. "Se puede obtener mucha potencia y una transferencia mucho más eficientede energía y comunicación cuando se usa ultrasonido en lugar de ondas electromagnéticas, que ha sido el método de referencia para transmitir energía de forma inalámbrica a implantes en miniatura "
"Ahora que tiene una captación neuronal confiable y mínimamente invasiva en su cuerpo, la tecnología podría convertirse en el motor de toda una gama de aplicaciones, cosas que hoy en día ni siquiera existen", dijo Carmena.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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