Cómo los nuevos implantes están ayudando a vincular cerebros a las computadoras

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whiteMocca / Shutterstock, CC BY-SA

Los cyborgs ya no son ciencia ficción. El campo de las interfaces cerebro-máquina (IMC), que utilizan electrodos, a menudo implantados en el cerebro, para traducir la información neuronal en comandos capaces de controlar sistemas externos como una computadora o un brazo robótico, han existido durante algún tiempo. La empresa del empresario Elon Musk, Neuralink, apunta a probar sus sistemas de IMC en un paciente humano al final de 2020.

A largo plazo, los dispositivos de IMC pueden ayudar a controlar y tratar los síntomas de los trastornos neurológicos y controlar las extremidades artificiales. Pero también podrían proporcionar un plan para diseñar inteligencia artificial e incluso permitir la comunicación directa de cerebro a cerebro. Sin embargo, por el momento, el desafío principal es desarrollar IMC que eviten dañar las células y el tejido cerebral durante la implantación y la operación.

Los IMC han existido durante más de una década, ayudando a las personas que han perdido la capacidad para controlar sus extremidades, por ejemplo. Sin embargo, los implantes convencionales, a menudo hechos de silicio, son órdenes de magnitud más rígidos que el tejido cerebral real, lo que conduce a grabaciones inestables y daños al tejido cerebral circundante.

También pueden conducir a un respuesta inmune en el cual el cerebro rechaza el implante. Esto se debe a que nuestro cerebro humano es como una fortaleza protegida, y el sistema neuroinmune, como los soldados en esta fortaleza cerrada, protegerá las neuronas (células cerebrales) de los intrusos, como los patógenos o el IMC.

Dispositivos flexibles

Para evitar daños y respuestas inmunes, los investigadores se centran cada vez más en el desarrollo del llamado "IMC flexible". Estos son mucho más suaves que los implantes de silicio y similares al tejido cerebral real.

Cómo los nuevos implantes están ayudando a vincular cerebros a las computadorasUna oblea de decenas de miles de electrodos flexibles, cada uno mucho más pequeño que un cabello. Steve Jurvetson / Flickr, CC BY-SA

Por ejemplo, Neuralink hizo su primer diseño "hilos" flexibles e insertador - pequeñas sondas con forma de hilo, que son mucho más flexibles que los implantes anteriores, para vincular un cerebro humano directamente a una computadora. Estos fueron diseñados para minimizar la posibilidad de que la respuesta inmune del cerebro rechace los electrodos después de la inserción durante la cirugía cerebral.


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Mientras tanto, investigadores de Grupo Lieber Recientemente, en la Universidad de Harvard diseñó una mini sonda de malla que se parece tanto a las neuronas reales que el cerebro no puede identificar a los impostores. Estas electrónica de inspiración biológica consisten en electrodos de platino y alambres de oro ultrafinos encapsulados por un polímero con un tamaño y flexibilidad similares a los cuerpos celulares de las neuronas y las fibras nerviosas neurales.

La investigación sobre roedores ha demostrado que tales sondas neuronales No provoque una respuesta inmune cuando se inserta en el cerebro. Son capaces de controlar tanto la función como la migración de las neuronas.

Mudarse a las celdas

La mayoría de los IMC utilizados hoy recogen señales eléctricas del cerebro que se filtran fuera de las neuronas. Si pensamos en la señal neural como un sonido generado dentro de una habitación, la forma actual de grabación es escuchar el sonido fuera de la habitación. Desafortunadamente, la intensidad de la señal se reduce en gran medida por el efecto de filtrado de la pared: las membranas neuronales.

Para lograr las lecturas funcionales más precisas con el fin de crear un mayor control de, por ejemplo, extremidades artificiales, los dispositivos de grabación electrónica deben tener acceso directo al interior de las neuronas. El método convencional más utilizado para esta grabación intracelular es el "electrodo de abrazadera de parche": un tubo de vidrio hueco lleno de una solución electrolítica y un electrodo de grabación puesto en contacto con la membrana de una celda aislada. Pero una punta de micrómetro ancho causa daños irreversibles a las células. Además, solo puede grabar unas pocas celdas a la vez.

Para abordar estos problemas, recientemente desarrollamos un matriz de transistores de nanocables 3D tipo horquilla y lo usó para leer actividades eléctricas intracelulares de múltiples neuronas. Es importante destacar que pudimos hacer esto sin ningún daño celular identificable. Nuestros nanocables son extremadamente delgados y flexibles, y se doblan fácilmente en forma de horquilla: los transistores son solo unos nanómetros 15x15x50. Si una neurona fuera del tamaño de una habitación, estos transistores serían aproximadamente del tamaño de una cerradura de puerta.

Recubiertas con una sustancia que imita la sensación de una membrana celular, estas sondas de nanocables ultrapequeñas y flexibles pueden atravesar las membranas celulares con un esfuerzo mínimo. Y pueden grabar la charla intracelular con el mismo nivel de precisión que su mayor competidor: los electrodos de pinza.

Claramente, estos avances son pasos importantes hacia IMC precisos y seguros que serán necesarios si alguna vez queremos lograr tareas complejas como la comunicación de cerebro a cerebro.

Puede sonar un poco aterrador, pero, en última instancia, si nuestros profesionales médicos continúan entendiendo mejor nuestros cuerpos y nos ayudan a tratar enfermedades y vivir más tiempo, es importante que sigamos ampliando los límites de la ciencia moderna para brindarles lo mejor posible herramientas para hacer su trabajo. Para que esto sea posible, es inevitable una intersección mínimamente invasiva entre humanos y máquinas.La conversación

Sobre el Autor

Yunlong Zhao, profesor de almacenamiento de energía y bioelectrónica, Universidad de Surrey

Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.

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