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Pequeños sensores inyectables podrían monitorear la actividad cerebral sin cirugía o implantes

cerebro
Crédito: Unsplash / CC0 Public Domain

Los investigadores han desarrollado sensores a nanoescala que podrían inyectarse en el cuerpo para rastrear de forma no invasiva la actividad cerebral utilizando luz. 


por The Optical Society


El enfoque podría algún día ofrecer una nueva forma de estudiar el cerebro o evaluar el funcionamiento del cerebro de los pacientes sin la necesidad de cirugía o dispositivos implantados.

A. Ali Yanik de la Universidad de California, Santa Cruz, informará sobre la tecnología, llamada NeuroSWARM 3 , en el Congreso virtual OSA Imaging and Applied Optics Congress celebrado del 19 al 23 de julio. La presentación de Yanik está programada para el martes.

«NeuroSWARM 3 puede convertir las señales que acompañan a los pensamientos en señales medibles de forma remota para una interfaz cerebro-máquina de alta precisión», dijo Yanik. «Permitirá que las personas que padecen discapacidades físicas interactúen de manera efectiva con el mundo externo y controlen la tecnología de exoesqueleto portátil para superar las limitaciones del cuerpo. También podría detectar las primeras señales de enfermedades neuronales».

El enfoque ofrece una nueva forma de monitorear la actividad eléctrica en el cerebro utilizando una sonda de sistema en nanopartículas que es comparable en tamaño a una partícula viral. Las neuronas utilizan señales eléctricas para transmitirse información entre sí, lo que hace que estas señales sean cruciales para el pensamiento, la memoria y el movimiento. Si bien existen muchos métodos establecidos para rastrear la actividad eléctrica del cerebro, la mayoría requiere cirugía o dispositivos implantados para penetrar el cráneo e interactuar directamente con las neuronas.

Los investigadores nombraron a su nueva tecnología Neurophotonic Solution-Dispersable Wireless Activity Reporters for Massively Multiplexed Measurements, o NeuroSWARM 3 .

El enfoque implica la introducción de nanopartículas electroplasmónicas diseñadas en el cerebro que convierten las señales eléctricas en señales ópticas, lo que permite rastrear la actividad cerebral con un detector óptico desde el exterior del cuerpo.

Las nanopartículas consisten en un núcleo de óxido de silicio que mide 63 nanómetros de ancho con una capa delgada de poli (3,4-etilendioxitiofeno) cargado electrocrómicamente y una capa de oro de 5 nanómetros de espesor. Debido a que su recubrimiento les permite cruzar la barrera hematoencefálica, podrían inyectarse en el torrente sanguíneo o directamente en el líquido cefalorraquídeo.

Una vez en el cerebro, los nanosensores son muy sensibles a los cambios locales en el campo eléctrico. En pruebas de laboratorio , los prototipos in vitro del NeuroSWARM 3 pudieron generar una relación señal / ruido de más de 1.000, un nivel de sensibilidad que es adecuado para detectar la señal eléctrica generada cuando se dispara una sola neurona.

«Fuimos pioneros en el uso de polímeros electrocrómicos (por ejemplo, PEDOT: PSS), para la detección óptica (inalámbrica) de señales electrofisiológicas», agregó Yanik. «Los materiales electrocrómicos con propiedades ópticas que pueden ser moduladas de forma reversible por un campo externo se utilizan convencionalmente para aplicaciones inteligentes de vidrio / espejo».

Se puede pensar en NeuroSWARM 3 como una antena plasmónica cargada electrocrómicamente a nanoescala que funciona a la inversa: en lugar de aplicar un voltaje conocido, sus propiedades ópticas son moduladas por las células electrogénicas en punta dentro de su vecindad. Por lo tanto, NeuroSWARM 3 proporciona una capacidad de detección de señales bioeléctricas de campo lejano en un solo dispositivo de nanopartículas que incluye la alimentación inalámbrica, la detección de señales electrofisiológicas y las capacidades de transmisión de datos en dimensiones a nanoescala.

Las señales ópticas generadas por las partículas de NeuroSWARM 3 se pueden detectar desde el exterior del cerebro utilizando luz infrarroja cercana con longitudes de onda entre 1.000 y 1.700 nm. Las nanopartículas pueden funcionar indefinidamente sin necesidad de una fuente de alimentación o cables.

Otros investigadores han explorado un enfoque similar utilizando puntos cuánticos diseñados para responder a campos eléctricos. Al comparar las dos tecnologías, los investigadores encontraron que NeuroSWARM 3 genera una señal óptica que es cuatro órdenes de magnitud mayor. Los puntos cuánticos requerían una intensidad de luz diez veces mayor y cien veces más sondas para generar una señal comparable.

«Estamos en las etapas iniciales de esta nueva tecnología, pero creo que tenemos una buena base sobre la cual construir», dijo Yanik. «Nuestro próximo objetivo es iniciar experimentos en animales».

Además de Yanik, los coautores de este estudio incluyen a los estudiantes graduados de UCSC Neil Hardy, Ahsan Habib y la investigadora de pregrado Tanya Ivanov.



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