Nervios y músculos monitoreados en tiempo real por sensores ultrasónicos inalámbricos “”neural dust”

Dispositivos electroceutical se diseñan para vigilar y tratar pacientes; podría permitir control inalámbrico prostético.

Prototipo inalámbrico y sin baterías de mota de polvo neural (3 x 1 x 1 milímetros) con electrodos adjunto a una fibra nerviosa en una rata. La mota contiene un cristal piezoeléctrico (el cubo de plata) que convierte señales ultrasónicas en corriente eléctrica, alimentando así a un circuito electrónico simple que consiste de un transistor (cuadro negro) que responde al voltaje generado por un disparo del nervio y dispara el cristal piezoeléctrico para crear una retrodispersión ultrasónica, que indica la detección de una señal neural. (Crédito: Ryan Neely/UC Berkeley).

Prototipo inalámbrico y sin baterías de mota de polvo neural (3 x 1 x 1 milímetros) con electrodos adjunto a una fibra nerviosa en una rata. La mota contiene un cristal piezoeléctrico (cubo de plata) que convierte señales ultrasónicas en corriente eléctrica, alimentando así a un circuito electrónico simple que consiste de un transistor (cuadro negro) que responde al voltaje generado por un disparo del nervio y activa el cristal piezoeléctrico para crear una retrodispersión ultrasónica, que indica la detección de una señal neural. (Crédito: Ryan Neely/UC Berkeley).

Ingenieros de la Universidad de California, Berkeley, han diseñado y construido dispositivos inalámbricos a escala milimétrica, sensores “neural dust” que no requieren baterías para su funcionamiento, y que han sido implantados en músculos y nervios periféricos de ratas para realizar estudios electrofisiológicos in vivo.

La nueva tecnología abre la puerta a los dispositivos “electroceutical” –métodos bioelectrónicos para monitorear y grabar de forma inalámbrica señales de electromiografía (EMG) de las membranas de músculos y señales de electroneurogramas (ENG) de la actividad eléctrica local de neuronas–  y estimular el sistema inmune, reducir inflamación y tratar enfermedades tales como la epilepsia.

Esta tecnología podría incluso mejorar el control neural de las prótesis (permitiendo a un parapléjico controlar una computadora o un brazo robótico, por ejemplo) por medio de la estimulación directa de nervios y músculos, en lugar de requerir cables implantados.

Los sensores neural-dust (de polvo neural) utilizan tecnología ultrasónica tanto para hacer funcionar los sensores como para leer las mediciones. El ultrasonido está ya bastante desarrollado para su uso en hospitales y puede penetrar casi cualquier punto del cuerpo, a diferencia de las ondas de radio.

Los investigadores reportaron sus hallazgos el 3 de agosto en la revista de acceso abierto Neuron.

El diagrama muestra los componentes de una mota de polvo neural (sensor). El dispositivo está cubierto por completo de un gel biocompatible. (crédito: Dongjin Seo et al./Neuron)

El diagrama muestra los componentes de una mota de polvo neural (sensor). El dispositivo está cubierto por completo de un gel biocompatible. (crédito: Dongjin Seo et al./Neuron)

De qué manera monitorea un sensor “polvo neural” las señales neurales y musculares

1. Un equipo implanta la mota (micro-chip) de polvo neural. En el reporte que se realizó, la mota fue implantada en el nervio ciático de la rata para realizar grabaciones ENG y en el músculo gastrocnemio para las grabaciones EMG. La misma conexión inalámbrica inhibe las infecciones potenciales y respuestas biológicas adversas debido al micro-movimiento del implante dentro del tejido.

2. Un generador externo ultrasonico envía una señal hacia un cristal piezoeléctrico, el cual convierte la energía del sonido en un voltaje que dota de alimentación eléctrica a un circuito de transistor– sin requerir batería.

3. Cuando las neuronas o músculos se disparan, generan un voltaje muy pequeño que los dos electrodos recogen y envían al transistor.

4. El transistor amplifica la señal y la conduce hacia el cristal piezoeléctico para vibrar a un nivel ultrasónico.

5. La vibración interfiere con la señal ultrasonica transmitida, ocasionando así una señal modificada “backscatter”, o de retrodispersión, que da a conocer información sobre el voltaje en los dos electrodos del sensor.

6. La señal “backscatter” de ultrasonido es decodificada para extraer la información EMG o ENG.

7. Una computadora muestra y guarda la información.

Motas a microescala: investigación futura

Hasta el momento, los experimentos han involucrado el sistema periférico nervioso y músculos, utilizando para ello un parche ultrasónico externo sobre el lugar del implante para obtener la información desde las motas para el diagnóstico o terapia deseados.

Sin embargo, de acuerdo con los investigadores, las motas de polvo neural pueden ser implantas casi en cualquier lugar del cuerpo humano, incluyendo el sistema nervioso central y el cerebro para el control de prótesis. Esta sería una alternativa para los electrodos implantables que se utilizan hoy (para la enfermedad de Parkinson, por ejemplo), que requiere cables que pasan a través de agujeros en el cráneo y se degradan en uno o dos años.

Los investigadores están ya construyendo motas de delgadas películas biodegradables, que potencialmente podrían permanecer en el cuerpo humano por una década o más. Se podrían colocar cientos de sensores inalámbricos, evitando así infecciones y movimientos no deseados de los electrodos.

El equipo está ya trabajando en una miniaturización aún mayor de este dispositivo y tiene en mente la utilización de tecnología de haz dirigido para concentrar las señales ultrasónicas en motas individuales. El equipo está también construyendo pequeñas mochilas para que las ratas lleven el transceptor ultrasónico que guardará la información proveniente de las motas implantadas. Los investigadores también laboran ya en expandir la capacidad de las motas de detectar señales no eléctricas, tales como los niveles de hormonas o de oxígeno.

Los investigadores consideran que podrían, eventualmente, reducir los sensores hasta 50 micrómetros por lado. En estas dimensiones, las motas podrían monitorear algunos axones específicos y grabar de manera continua su actividad eléctrica.

Los investigadores concibieron la idea del polvo neural hace cinco años, pero los intentos iniciales de dotar de poder eléctrico a este dispositivo implantable y extraer la información utilizando ondas de radio fueron desalentadoras. Las ondas de radio se atenúan muy fácilmente en el tejido, por lo que la comunicación con dispositivos implantados dentro del cuerpo resultaba muy difícil sin el uso de radiación potencialmente dañina En el 2013, los investigadores publicaron un artículo en arXiv en donde describían la manera en que un sistema de polvo neural con señales ultrasónicas podría funcionar.

Aquí encuentras el artículo Neural Dust: An Ultrasonic, Low Power Solution for Chronic Brain-Machine Interfaces de la revista arXiv.

Aquí encuentras el artículo Wireless Recording in the Peripheral Nervous System with Ultrasonic Neural Dust en la revista Neuron.

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