Un implante cerebral transparente capta la actividad neuronal profunda de la superficie

Esta tecnología debe su éxito a varias características de diseño innovadoras: transparencia y alta densidad de electrodos combinadas con métodos de aprendizaje automático.

«Esta nueva generación de electrodos de grafeno transparentes integrados con alta densidad nos permite muestrear la actividad neuronal con mayor resolución espacial», dijo Kozum. «Como resultado, la calidad de las señales mejora significativamente. Lo que hace que esta tecnología sea aún más notable es la integración de métodos de aprendizaje automático, que permiten predecir la actividad neuronal profunda a partir de señales superficiales».

Este estudio fue un esfuerzo de colaboración entre múltiples grupos de investigación de UC San Diego. El equipo, dirigido por Kuzum, uno de los líderes mundiales en el desarrollo de interfaces neuronales multimodales, incluye al profesor de nanoingeniería Ertugrul Kubuko, que se especializa en técnicas avanzadas de micro y nanofabricación para materiales de grafeno; Profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática Vikash Gilga, cuyo laboratorio integra conocimientos de dominios específicos de las áreas de neurociencia básica, procesamiento de señales y aprendizaje automático para decodificar señales neuronales; y Takaaki Komiyama, profesor de Neurobiología y Neurobiología (Facultad de Ciencias Biológicas y Facultad de Medicina de UC San Diego), cuyo laboratorio se centra en estudiar los mecanismos del circuito neuronal que subyacen a las conductas resilientes.

La transparencia es una de las principales características de este implante nervioso. Los implantes tradicionales utilizan materiales metálicos opacos en sus electrodos y cables, lo que evita que las neuronas debajo de los electrodos se vean durante los experimentos de imágenes. Por el contrario, un implante fabricado con grafeno es transparente, lo que proporciona un campo de visión nítido para el microscopio durante los experimentos de imágenes.

«La integración perfecta del registro de señales eléctricas y la obtención de imágenes ópticas de la actividad neuronal al mismo tiempo sólo se puede lograr a través de esta tecnología», dijo Kozum. «Poder realizar ambos experimentos al mismo tiempo nos brinda datos más relevantes porque podemos ver cómo los experimentos de imágenes se combinan con las grabaciones eléctricas».

Para que el implante fuera completamente transparente, los investigadores utilizaron cables de grafeno largos y muy delgados en lugar de cables metálicos tradicionales para conectar los electrodos a la placa de circuito. Sin embargo, fabricar una sola capa de grafeno en un cable largo y delgado es un desafío, porque cualquier defecto hará que el cable sea ineficaz, explicó Ramadani. «Puede haber un espacio en el cable de grafeno que bloquea el flujo de la señal eléctrica, por lo que terminas con un cable roto».

Los investigadores han abordado este problema utilizando tecnología inteligente. En lugar de hacer los cables como una sola capa de grafeno, los hicieron como una doble capa dopada con ácido nítrico en el medio. «Al tener dos capas de grafeno una encima de la otra, hay muchas posibilidades de que los defectos en una capa queden enmascarados por la otra, asegurando la creación de nanocables de grafeno delgados, largos y completamente funcionales con una conductividad mejorada», dijo Ramzani.

Según los investigadores, este estudio demuestra la disposición más densa de electrodos transparentes sobre un implante neural de superficie hasta la fecha. Lograr una alta densidad requiere la fabricación de electrodos de grafeno muy pequeños. Esto supuso un gran desafío, ya que la reducción del tamaño de los electrodos de grafeno aumenta su impedancia, lo que dificulta el flujo de corriente eléctrica necesaria para registrar la actividad neuronal. Para superar este obstáculo, los investigadores utilizaron una técnica de microfabricación desarrollada por el laboratorio de Cosum que consiste en depositar nanopartículas de platino en electrodos de grafeno. Este enfoque mejoró enormemente el flujo de electrones a través de los electrodos, manteniéndolos pequeños y transparentes.

Próximos pasos

Luego, el equipo se centrará en probar la tecnología en diferentes modelos animales, con el objetivo final de su traducción humana en el futuro.

El grupo de investigación de COZUM también se dedica a utilizar la tecnología para avanzar en la investigación de neurociencia básica. Con este espíritu, están compartiendo la tecnología con laboratorios de Estados Unidos y Europa, contribuyendo a diversos estudios que van desde comprender cómo se acopla la actividad de los vasos sanguíneos a la actividad eléctrica en el cerebro hasta explorar con qué eficiencia las células ubicadas en el cerebro crean la memoria espacial. . Para que esta tecnología esté más ampliamente disponible, el equipo de Cosum ha solicitado una subvención de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) para financiar esfuerzos para aumentar la producción y facilitar su adopción por parte de investigadores de todo el mundo.

«Esta tecnología se puede utilizar en muchas investigaciones básicas diferentes en neurociencia, y estamos ansiosos por hacer nuestra parte para acelerar el progreso hacia una mejor comprensión del cerebro humano», dijo Kozum.

referencia: Ramzani M, Kim JH, Liu X, et al. Matrices de grafeno transparente de alta densidad para predecir en profundidad la actividad del calcio celular a partir de posibles registros de superficie. Nanotecnología natural. 2024. doi: 10.1038/s41565-023-01576-z

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