Resumen: Los investigadores crean un implante neuronal transparente basado en grafeno que proporciona datos de la actividad cerebral de alta resolución desde la superficie. La densa variedad de pequeños electrodos de grafeno del implante permite el registro simultáneo de la actividad eléctrica y del calcio en las capas profundas del cerebro.
Esta innovación supera las limitaciones de los implantes anteriores y ofrece información sobre estudios neurológicos. El diseño transparente permite la grabación eléctrica y la obtención de imágenes ópticas, revolucionando la investigación en neurociencia.
Puntos clave:
- UC San Diego desarrolla un implante neuronal transparente a base de grafeno con electrodos de alta densidad.
- El implante registra la actividad eléctrica y de calcio, superando las limitaciones de implantes anteriores.
- Los investigadores tienen como objetivo aumentar la productividad y facilitar una adopción más amplia de los estudios de neurociencia.
Fuente: UCSD
Investigadores de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un implante neuronal que se asienta en su superficie y proporciona información sobre la actividad profunda del cerebro.
El implante está hecho de una tira de polímero delgada, transparente y flexible llena de una densa serie de electrodos de grafeno.
La tecnología probada en ratones transgénicos acerca a los investigadores a la construcción de una interfaz cerebro-computadora (BCI) mínimamente invasiva que proporciona datos de alta resolución sobre la actividad neuronal profunda utilizando grabaciones de la superficie del cerebro.
El trabajo fue publicado el 11 de enero. Nanotecnología de la naturaleza.
«Estamos ampliando el rango espacial de registros neuronales con esta tecnología», dijo el autor principal del estudio, Duygu Kuzum, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego.
«Aunque nuestro implante reside en la superficie del cerebro, su diseño excede los límites de la detección física, permitiéndole evaluar la actividad neuronal desde capas más profundas».
Este trabajo supera las limitaciones de las tecnologías actuales de implantes neuronales. Las estructuras superficiales existentes, por ejemplo, son mínimamente invasivas, pero carecen de la capacidad de capturar información más allá de las capas externas del cerebro.
Por el contrario, los conjuntos de electrodos con agujas finas que penetran en el cerebro pueden sondear capas más profundas, pero a menudo causan inflamación y cicatrices, lo que compromete la calidad de la señal con el tiempo.
Un nuevo implante neuronal desarrollado en UC San Diego ofrece lo mejor de ambos mundos.
El implante es una tira de polímero delgada, transparente y flexible que se adapta a la superficie del cerebro. La tira está incrustada con una matriz de alta densidad de pequeños electrodos circulares de grafeno, cada uno de 20 micrómetros de diámetro. Cada electrodo está conectado a una placa de circuito mediante un cable de grafeno del grosor de un micrómetro.
En pruebas con ratones transgénicos, el implante permitió a los investigadores capturar información de alta resolución sobre dos tipos de actividad nerviosa (actividad eléctrica y actividad del calcio) al mismo tiempo. Cuando se coloca en la superficie del cerebro, el implante registra señales eléctricas de las neuronas en las capas externas.
Al mismo tiempo, los investigadores utilizaron un microscopio de dos fotones para hacer brillar una luz láser a través del implante y obtener imágenes de los picos de calcio de las neuronas a 250 micrómetros por debajo de la superficie. Los investigadores encontraron una correlación entre las señales eléctricas de la superficie y los picos de calcio en las capas más profundas.
Esta correlación permitió a los investigadores utilizar señales eléctricas de superficie para entrenar redes neuronales para predecir la actividad del calcio, no sólo para grandes poblaciones de neuronas, sino también para neuronas individuales a diferentes profundidades.
«Se entrenó un modelo de red neuronal para aprender en profundidad la relación entre los registros eléctricos de la superficie y la actividad de los iones de calcio de las neuronas», dijo Kuzum. «Una vez que aprenda esa relación, podremos usar el modelo para predecir la actividad más profunda que la superficie».
Una ventaja de poder predecir la actividad del calcio a partir de señales eléctricas es que supera las limitaciones de los experimentos de imágenes. Al obtener imágenes de picos de calcio, la cabeza del sujeto debe fijarse bajo el microscopio. Además, estos experimentos duran sólo una o dos horas seguidas.
«Debido a que las grabaciones eléctricas no tienen estas limitaciones, nuestra tecnología hace posible realizar experimentos a largo plazo en los que el sujeto es libre de moverse y realizar tareas conductuales complejas», dijo el coautor del estudio, Mehrdad Ramezani, ingeniero eléctrico e informático. . Doctor. estudiante en el laboratorio de Kuzum. «Esto proporciona una comprensión más completa de la actividad neuronal en situaciones dinámicas del mundo real».
Diseño y fabricación de un implante neural.
La tecnología debe su éxito a varias características de diseño innovadoras: transparencia y alta densidad de electrodos combinadas con métodos de aprendizaje automático.
«Esta nueva generación de electrodos de grafeno transparentes implementados a alta densidad nos permite muestrear la actividad neuronal con alta resolución espacial», dijo Kuzum.
«Como resultado, la calidad de las señales mejora significativamente. La integración de métodos de aprendizaje automático hace que esta tecnología sea aún más notable, ya que permite predecir la actividad neuronal profunda a partir de señales superficiales.
Este estudio fue un esfuerzo colaborativo de múltiples grupos de investigación en UC San Diego. El equipo, dirigido por Kuzum, uno de los líderes mundiales en el desarrollo de interfaces neuronales multimodales, incluye al profesor de nanoingeniería Ertugrul Cubcu, que se especializa en técnicas avanzadas de micro y nanofabricación para materiales de grafeno; el profesor de ingeniería eléctrica e informática Vikash Gilja, cuyo laboratorio combina conocimientos de dominios específicos de los campos de la neurociencia básica, el procesamiento de señales y el aprendizaje automático para decodificar señales neuronales; y el profesor de neurobiología y neurociencia Takaki Komiyama, cuyo laboratorio se centra en investigar los mecanismos del circuito neuronal que subyacen a las conductas adaptativas.
La transparencia es una de las características clave de este implante neuronal. Los implantes convencionales utilizan materiales metálicos opacos para sus electrodos y cables, lo que restringe la visión de las neuronas debajo de los electrodos durante los experimentos de imágenes. Por el contrario, un implante fabricado con grafeno es transparente, lo que proporciona un campo de visión perfectamente claro para el microscopio durante los experimentos de obtención de imágenes.
«La integración perfecta del registro de señales eléctricas y la obtención de imágenes ópticas de la actividad neuronal al mismo tiempo sólo es posible con esta tecnología», afirmó Kuzum.
«Poder realizar ambos experimentos al mismo tiempo nos brinda datos más relevantes porque podemos ver cómo los experimentos de imágenes están alineados en el tiempo con las grabaciones eléctricas».
Para que el implante fuera completamente transparente, los investigadores utilizaron cables de grafeno largos y superfinos en lugar de cables metálicos tradicionales para conectar los electrodos a la placa de circuito. Sin embargo, convertir una sola capa de grafeno en un cable largo y delgado es un desafío porque cualquier defecto puede hacer que el cable no funcione, explicó Ramezani.
«Puede haber espacios en el cable de grafeno que impidan que la señal eléctrica fluya, por lo que básicamente terminas con un cable roto».
Los investigadores resolvieron este problema utilizando una técnica inteligente. En lugar de hacer los cables como una sola capa de grafeno, los hicieron como una doble capa dopada con ácido nítrico en el medio.
«Al tener dos capas de grafeno una encima de la otra, existe una buena posibilidad de que los defectos en una capa queden enmascarados por la otra capa, asegurando la formación de cables de grafeno largos, delgados y completamente funcionales con una conductividad mejorada», dijo Ramezani. .
Según los investigadores, este estudio demuestra la matriz de electrodos transparentes más densamente empaquetada en un implante neural asentado en la superficie hasta la fecha. Lograr una alta densidad requiere fabricar electrodos de grafeno muy pequeños.
Esto representó un desafío considerable, porque al reducir el tamaño de los electrodos de grafeno aumenta su resistencia, lo que impide el flujo de corriente eléctrica necesaria para registrar la actividad neuronal.
Para superar este obstáculo, los investigadores utilizaron una técnica de microfabricación desarrollada por el laboratorio de Kuzum, que consiste en depositar nanopartículas de platino en electrodos de grafeno. Este método mejora significativamente el flujo de electrones a través de los electrodos y los mantiene pequeños y transparentes.
Próximos pasos
A continuación, el equipo se centrará en probar la tecnología en varios modelos animales con el objetivo final de la traducción humana en el futuro.
El grupo de investigación de Kuzum se dedica a utilizar la tecnología para avanzar en la investigación de neurociencia básica. Con ese espíritu, comparte tecnología con laboratorios de EE. UU. y Europa, contribuyendo a diversos estudios, desde comprender cómo se combina la actividad vascular con la actividad eléctrica en el cerebro hasta investigar cómo las células del cerebro son efectivas para crear memoria espacial. .
Para que esta tecnología esté más disponible, el equipo de Kuzum solicitó una subvención de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) para financiar esfuerzos para aumentar la producción y facilitar su adopción por parte de investigadores de todo el mundo.
«Esta tecnología se puede utilizar para una variedad de investigaciones de neurociencia básica y estamos entusiasmados de hacer nuestra parte para acelerar el progreso en la comprensión del cerebro humano», dijo Kuzum.
Fondos: Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval (N000142012405, N000142312163 y N000141912545), la Fundación Nacional de Ciencias (ECCS-2024776, ECCS-17522241 y ECCS-1752241 y ECCS-175241 y ECCS -734940). 6). 6180, DP2 EB030992, R01 NS091010A, R01 EY025349, R01 DC014690, R21 NS109722 y P30 EY022589), Pew Charitable Trusts y David and Lucille Packard Foundation. Este trabajo se realizó en parte en la Infraestructura de Nanotecnología de San Diego (SDNI) en UC San Diego, miembro de la Infraestructura Nacional Coordinada de Nanotecnología, con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (subvención ECCS-1542148).
Acerca de esta noticia de investigación en neurotecnología
Autor: Labios Liesel
Fuente: UCSD
Contacto: Labios Liezel – UCSD
Imagen: Imagen acreditada a Neuroscience News.
Investigación básica: Se presentarán los resultados Nanotecnología de la naturaleza
