Publicado 23/03/2020 07:25CET

Combinan electrónicos de silicio 2D con la arquitectura tridimensional del cerebro para mejorar las prótesis

Matriz de microhilos.
Matriz de microhilos. - ANDREW BRODHEAD/STANFORD NEWS SERVICE

   MADRID, 23 Mar. (EUROPA PRESS) -

   Investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado un nuevo dispositivo para conectar el cerebro directamente a tecnologías basadas en silicio empleadas habitualmente en protesis tratamiento de enfermedades o investigación, pero registrando más datos y siendo menos intrusivo que las opciones actuales, explican en la revista 'Science Advances'.

   "Nadie había combinado estos electrónicos de silicio 2D con la arquitectura tridimensional del cerebro antes --destaca Abdulmalik Obaid, estudiante graduado en ciencias e ingeniería de materiales en Stanford--. Tuvimos que desechar lo que ya sabemos sobre la fabricación de chips convencionales y diseñar nuevos procesos para llevar la electrónica de silicio a la tercera dimensión".

   El dispositivo 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 pasan por 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 más alta resolución de ver la actividad cerebral --Nick Melosh, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y coautor principal del artículo--. Con esta matriz de microhilos podemos ver lo que sucede en el nivel de neurona única".

   Los investigadores probaron su interfaz cerebro-máquina en células retinianas aisladas de ratas y en el cerebro de ratones vivos. En ambos casos, obtuvieron con éxito señales significativas a través de los cientos de canales de la matriz.

   La investigación determinará aún más cuánto tiempo puede permanecer el dispositivo en el cerebro y qué 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, en particular asistencia de habla.

   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 en conectarse a dispositivos basados en silicio para aprovechar los avances en esas tecnologías.

   "Los chips de silicio son tan poderosos y tienen una increíble capacidad para escalar --añade Melosh--. Nuestra matriz se combina con esa tecnología de manera muy simple. En realidad, solo puede tomar el chip, presionarlo en el extremo expuesto del paquete y obtener las señales".

   Un desafío principal que los investigadores abordaron fue descubrir cómo estructurar la matriz. Tenía que ser fuerte y duradera, a pesar de que sus componentes principales son cientos de cables minúsculos. La solución fue envolver cada cable en un polímero biológicamente seguro y luego agruparlos dentro de un collar de metal.

   Esto asegura que los cables estén separados y debidamente 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 cuidadosamente en la matriz a mano. Los investigadores pasaron años refinando sus técnicas de diseño y fabricación para permitir la creación de una matriz con miles de canales, sus esfuerzos apoyados, en parte, por una subvención de Wu Tsai Neurosciences Institute Big Ideas.

   "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 profundidades", señala Jun Ding, profesor asistente de neurocirugía y neurología, y coautor del artículo.

   "Si se aplica ampliamente, esta tecnología superará en gran medida nuestra comprensión de la función cerebral en los estados de salud y enfermedad", asegura.

   Después de pasar años persiguiendo esta idea ambiciosa pero elegante, no fue hasta el final del proceso cuando 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 --recuerda Obaid, autor principal del artículo--. Después de años de trabajar en ese diseño, lo probamos en la 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 reportar su dispositivo.

   Los resultados hasta ahora indican que pueden ver el aprendizaje y el fracaso a medida que 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 las prótesis mecánicas y los dispositivos que ayudan a restaurar el habla y la visión.