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


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

A. Ali Yanik de la Universidad de California, Santa Cruz, informará sobre la tecnología, llamada NeuroSWARM3, en el Congreso virtual de Imagen y Óptica Aplicada de la OSA celebrado del 19 al 23 de julio. La presentación de Yanik está programada para el martes.

"NeuroSWARM3 puede convertir las señales que acompañan a los pensamientos en señales remotamente medibles para una interfaz cerebro-máquina de alta precisión", dijo Yanik. "Permitirá a las personas que sufren de discapacidades físicas interactuar de manera efectiva con el mundo externo y controlar la tecnología de exoesqueleto portátil para superar las limitaciones del cuerpo. También podría recoger firmas tempranas de enfermedades neuronales".

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

Los investigadores nombraron a su nueva tecnología Neurophotonic Solution-dispersible Wireless Activity Reporters for Massively Multiplexed Measurements, o NeuroSWARM3.

El enfoque consiste en introducirnanopartículas electroplasmónicas de ingeniería en el cerebro que convierten las señales eléctricas en señales ópticas, lo que permite rastrear la actividad cerebral con un detector óptico desde fuera 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-etilenodioxitiofeno) y un recubrimiento 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 altamente sensibles a los cambios locales en el campo eléctrico. En pruebas de laboratorio,prototipos in vitro del NeuroSWARM3 fueron capaces de generar una relación señal/ruido de más de 1.000, un nivel de sensibilidad que es adecuado para detectar la señal eléctrica generada cuando una sola neurona se dispara.

"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 reversiblemente por un campo externo se utilizan convencionalmente para aplicaciones inteligentes de vidrio / espejo".

NeuroSWARM3 puede considerarse como una antena plasmónica cargada electrocrómicamente a nanoescala operada a la inversa: en lugar de aplicar un voltaje conocido, sus propiedades ópticas son moduladas por las células electrogénicas que clavan dentro de sus proximidades. Por lo tanto, NeuroSWARM3 proporciona una capacidad de detección de señales bioeléctricas de campo lejano en un solo dispositivo de nanopartículas que empaqueta capacidades de alimentación inalámbrica, detección de señales electrofisiológicas y de transmisión de datos en dimensiones a nanoescala.

Las señales ópticas generadas por NeuroSWARM3 las partículas se pueden detectar desde fuera del cerebro utilizando luz infrarroja cercana con longitudes de onda entre 1.000-1.700 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. Comparando las dos tecnologías, los investigadores encontraron NeuroSWARM3 genera una señal óptica que es cuatro órdenes de magnitud más grande. Los puntos cuánticos requerían una intensidad de luz diez veces mayor y cien veces más sondas para generar una señal comparable.

"Estamos justo en las etapas iniciales de esta nueva tecnología, pero creo que tenemos una buena base sobre la que construir", dijo Yanik. "Nuestro próximo objetivo es comenzar experimentos con animales".


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