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| Estos apéndices en forma de tallarín tienen el potencial de revolucionar el registro cerebral y la neuroestimulación. Crédito: Yasar TB et al., Nature Communications 2024 (CC BY 4.0); modificado |
Un equipo de la ETH de Zúrich está ampliando los límites de lo que se puede lograr con la neuroestimulación y la tecnología de registro neuronal gracias a los haces de electrodos superflexibles que han desarrollado. En lugar de los electrodos tradicionales, que pueden causar algún daño al tejido cerebral cuando se insertan, las fibras pueden integrarse perfectamente en la red de filamentos dendríticos sin causar daño.
Los electrodos son una parte vital de las interfaces cerebro-computadora (BCI) y los dispositivos de estimulación cerebral profunda (DBS). En DBS, un componente similar a un marcapasos ordena al electrodo que envíe ráfagas de electricidad a una región del cerebro para ayudar a aliviar los síntomas de enfermedades como la enfermedad de Parkinson y el trastorno obsesivo-compulsivo. En las BCI, los conjuntos de electrodos registran la actividad cerebral que luego puede ser traducida por un sistema informático en, por ejemplo, habla o movimiento. Quizás el desarrollador más conocido de BCI sea Neuralink de Elon Musk.
El implante de Neuralink utiliza una sonda algo flexible que supone una mejora respecto a las sondas más rígidas, basadas en silicio. Otros trabajan con mallas de electrodos que son aún más biocompatibles; pero cuando Mehmet Fatih Yanik, profesor de Neurotecnología en la ETH de Zúrich, quiso experimentar por primera vez con la tecnología de registro cerebral hace una década, rápidamente quedó claro que se necesitaba una nueva solución.
"Siempre les digo a mis estudiantes que algún día podrían ponerme esta cosa en el cerebro." Profesor Mehmet Fatih Yanik
Yanik dijo a IFLScience que su laboratorio reúne a neurocientíficos e ingenieros que, con el tiempo, han "construido la tecnología que queríamos tener". Al combinar su experiencia, el equipo ahora ha presentado un nuevo tipo de electrodo: un haz de fibras de oro extremadamente finas encapsuladas en un polímero. Al recapitular, lo más fielmente posible, la estructura del tejido en el que desea insertar el electrodo, puede hacer que esa inserción sea lo más suave posible y, al mismo tiempo, maximizar las aplicaciones potenciales de la tecnología.
"Si piensa en las neuronas en sí, el cuerpo celular tiene alrededor de 20 micrones, 10 micrones", dijo Yanik a IFLScience. "Y luego tienes estos árboles dendríticos, que están en una escala de unos pocos micrones. Y cuando intentas [insertar] la mayoría de estas tecnologías existentes hoy, ya sean de silicio o incluso de polímero, lo que sucede es que básicamente estás tratando de atravesar un segmento de tejido y tienes estas ramas, como ramas de árboles. Y lo que estás haciendo es básicamente cortarlo”.
Las fibras de espagueti, por el contrario, pueden integrarse en estas “ramas de árbol” sin causar daño.
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| Al comparar los electrodos de tentáculos con otras tecnologías, se puede ver cómo el nuevo diseño minimiza el daño al tejido cerebral. Crédito: Yasar TB et al., Nature Communications 2024 (CC BY 4.0); modificado |
Hasta ahora, todo bien. Pero con algo tan delicado y flexible, perfeccionar el proceso de inserción llevó mucho tiempo: "si querías llegar, ya sabes, solo unos pocos milímetros por debajo de la superficie del cerebro, simplemente se despegaban, ¿sabes?" El autor principal Tansel Baran Yasar, junto con sus colegas Peter Gombkoto y Wolfger von der Behrens, pasaron muchos meses en este problema.
Resultó que la clave era insertar los haces lentamente. La investigadora postdoctoral Angeliki D. Vavladeli ha seguido analizando los efectos de la inserción en el tejido cerebral circundante, y Yanik nos dijo que "realmente se ve increíble".
"El tejido alrededor es muy saludable, como si comenzara desde la neurona de al lado, ya sabes, no hay ninguna capa de basura ni nada. Es muy hermoso".
Para el nuevo estudio, el equipo probó cuatro haces de 64 fibras cada uno en los cerebros de ratas. Los electrodos se conectaron a un dispositivo de grabación que se adhirió a las cabezas de las ratas, de modo que los animales pudieran moverse libremente mientras se registraba su actividad cerebral. Demostraron cómo se podían realizar grabaciones neuronales en escalas de tiempo largas y con buena calidad de señal, ya que las sondas se acercan mucho a las células nerviosas.
Teóricamente, se podrían incluir muchas más de 64 fibras en futuras iteraciones, lo que facilitaría grabaciones simultáneas de múltiples áreas cerebrales y posiblemente redes cerebrales completas.
"Un gran esfuerzo significativo de nuestra investigación se centra ahora mismo en tratar de entender cómo el cerebro representa la información [...] y cómo las diferentes áreas cerebrales se comunican entre sí", dijo Yanik a IFLScience.
Entre los muchos avances en los que está trabajando actualmente el equipo, bajo la dirección de Eminhan Ozil, esperan diseñar los tentáculos de los electrodos para que incluyan "códigos de barras" que puedan indicar con precisión de qué haz proviene una señal con una resolución de 60 micrones, lo que significa que "se puede saber en la corteza en qué capa cortical se está". También hay planes para intentar insertar muchos más haces en el cerebro a la vez, con el objetivo de llegar a 3.000 canales de registro separados; esto se está desarrollando actualmente en el laboratorio, dirigido por Alexei Vyssotski y Houman Javaheri.
Y además de registrar la actividad neuronal, también existe la posibilidad de utilizar estos electrodos como neuroestimuladores mínimamente invasivos.
Pronto, las pruebas deberán pasar de los modelos animales a los humanos. Ya está en marcha un proyecto con colaboradores del University College de Londres, que tiene como objetivo probar los electrodos como una herramienta de diagnóstico de precisión para personas que se someten a una cirugía cerebral por epilepsia.
Yanik sabe que, como uno de los líderes de la investigación, puede llegar el momento de experimentar la innovación de primera mano, y ha preparado al equipo en consecuencia.
“Siempre les digo a mis estudiantes que un día podrían poner esta cosa en mi cerebro”, dijo Yanik a IFLScience. “¡Así que asegúrense de que sea realmente bueno!”.
El estudio se publicó en la revista Nature Communications.