15/11/2012 - Un nuevo electrodo de fibra de carbono puede abrir las puertas de la actividad neuronal

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Un nuevo electrodo, desarrollado en la Universidad de Michigan, flexible y diez veces más pequeño que su competidor más cercano, podría finalmente hacer posible las mediciones a largo plazo de la actividad neural.

Este tipo de tecnología podría usarse, eventualmente, para el envío de señales a miembros protésicos evitando la inflamación que causan los electrodos más grandes y que dañan tanto el cerebro como los electrodos mismos.

El problema principal que tienen las neuronas con los electrodos es son “malos vecinos”. Además de que su tamaño es muy superior al de las neuronas, los electrodos son demasiado rígidos y tienden a dañar a las células cercanas en los roces. Las células de inmunidad residentes detectan al intruso y lo atacan causando una inflamación del tejido cerebral y bloqueando la comunicación entre el electrodo y las células.

Fibra de carbono

 El nuevo electrodo desarrollado por los equipos del profesor de ingeniería biomédica Daryl Kipke, el profesor de ingeniería química, Joerg Lahann, y Nicholas Kotov, que es el titular de la cátedra Joseph B. y florence V. Cejka de Ingeniería, es más compatible con su entorno que los posibles implantes existentes hasta la fecha.

El electrodo es un micro filamento de fibra de carbono altamente conductivo, recubierta con plástico para bloquear las señales de otras neuronas. Dispone de una especie de almohadilla de gelatina conductiva en su extremo se acomoda a las membranas blandas de las células y esta conexión estrecha significa que las señales de las células del cerebro se perciban con más claridad.

“Es un enorme paso adelante”, dijo Kotov. “El electrodo tiene un diámetro de aproximadamente siete micrones, esto es 0,007 milímetro, y su competidor más cercano mide de 25 a 100 micrones”.

Esta gelatina del electrodo, tiene la capacidad de comunicarse de la misma forma que las células. Los impulsos eléctricos viajan por el cerebro mediante movimientos de iones, o átomos con cargas eléctricas, y las señales se mueven a través de la gelatina de la misma manera. Del otro lado la fibra de carbono responde a los iones moviendo electrones que traducen eficazmente la señal del cerebro al lenguaje de los artefactos electrónicos.

Ensayo en ratas

El equipo de Kipke implantó estos electrodos en los cerebros de ratas, y la comunicación fue perfecta. Por las dimensiones del electrodo es posible enfocarlo sobre una sola neurona, recibiendo correctamente y comunicando las señales eléctricas a través de la fibra.

Además de captar las señales específicas de una neurona que pueden ser enviadas a las prótesis, este sistema de escucha de neuronas de forma individual podría descifrar muchos de los grandes misterios del cerebro.

“¿Cómo se comunican las neuronas entre sí? ¿Cuáles son las sendas para el procesamiento de información en el cerebro? Éstas son las preguntas que podrían responderse en el futuro con este tipo de técnica”, dijo Kotov.

 “Dado que estos artefactos son tan pequeños podemos combinarlos con las técnicas ópticas emergentes para observar visualmente qué hacen las células en el cerebro mientras se escuchan sus señales eléctricas”, dijo Takashi Kozai, quien encabezó el proyecto como estudiante en el laboratorio de Kipke y desde entonces ha obtenido su doctorado. “Esto revelará nuevos conocimientos acerca de cómo funciona el cerebro a nivel celular y de red”.

Kipke enfatizó que el electrodo ensayado aún no está listo para la realización de ensayos clínicos, pero sí muestra que los esfuerzos para reducir los electrodos al tamaño de las células cerebrales es posible.

“Los resultados indican, claramente, que la creación de conjuntos de electrodos es factible en estas dimensiones tan pequeñas como una senda viable para la fabricación de artefactos más duraderos”, añadió.

Futuro prometedor

A fin de escuchar a una neurona por un período prolongado, o para ayudar a que las personas controlen una prótesis tal como lo hacen con un miembro natural, los electrodos tienen que ser capaces de sobrevivir varios años en el cerebro sin que causen un daño significativo. Con solo seis semanas de pruebas, el equipo no pudo afirmar con seguridad cómo operarán los electrodos a largo plazo, pero los resultados fueron prometedores.

“Típicamente vimos una cima de la respuesta de inmunidad en unas dos semanas y luego un aplacamiento hacia la tercera semana, en tanto que para la sexta semana se había estabilizado”, dijo Kotov. “Esa estabilización es la observación importante”.

Las neuronas y el sistema de inmunidad de las ratas se acostumbraron a los electrodos y esto señala que los invasores electrónicos podrían permanecer en el cerebro un largo tiempo.

Si bien no veremos pronto en el mercado los brazos biónicos o trajes al estilo del Hombre de Hierro, Kipke expresó su optimismo en el sentido de que los artefactos protésicos podrían empezar a enlazarse con el cerebro en una década más o menos.

Autores y referencias

Daryl Kipke, que es el director del Centro para Tecnología de Comunicación Neural, es profesor de ingeniería biomédica.

Kotov, es el titular de la cátedra Joseph B. y florence V. Cejka de Ingeniería, y es profesor de ingeniería biomédica, ingeniería química, ciencia e ingeniería de biomateriales, y de ciencia e ingeniería macromolecular.

Lahann es director del Instituto de Bionterfaces, y es profesor de ingeniería química, ciencia e ingeniería de materiales, ingeniería biomédica, y ciencia e ingeniería macromolecular.

Los resultados de este proyecto de investigación han sido publicados bajo el título “Ultra-small implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces”, en la última edición de la revista Nature Materials.

Este trabajo ha sido financiado por el Instituto Nacional de Salud y el Centro para Tecnología de Comunicación Neural

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