Nervio artificial con diseño de transistor orgánico prometedor para interfaces cerebro-máquina

Comparta este Artículo en:

En los últimos años, muchos ingenieros han intentado desarrollar componentes de hardware que puedan emular las funciones de diversos sistemas biológicos, como las sinapsis, la piel humana y los nervios.

Estos sistemas bioinspirados incluyen los denominados nervios artificiales, diseñados para emular la función de los nervios en el cuerpo humano y de otros animales.

Los nervios artificiales podrían ser útiles para una amplia gama de aplicaciones, desde sistemas para reparar nervios dañados hasta interfaces cerebro-computadora, sensores de alta precisión y otros dispositivos electrónicos avanzados.

Sin embargo, hasta la fecha, la ingeniería de sistemas inspirados en nervios que operen a frecuencias biológicamente compatibles y repliquen de forma realista la función nerviosa ha resultado compleja.

Investigadores de la Universidad Xi’an Jiaotong (China) y la Universidad Técnica de Múnich desarrollaron recientemente un nuevo nervio artificial de alta frecuencia con un diseño único que optimiza el transporte de iones y electrones, a la vez que responde rápidamente a las señales y retiene la información relacionada con la carga.

Los transistores electroquímicos orgánicos de tipo N son un posible componente básico para los nervios artificiales, ya que su comportamiento de potenciación, activado por potencial positivo, puede imitar el de las células biológicas, escribieron Shijie Wang, Yichang Wang y sus colegas en su artículo.

Sin embargo, estos dispositivos presentan limitaciones debido a sus débiles propiedades de transporte y almacenamiento iónico y electrónico, lo que resulta en un rendimiento volátil y no volátil deficiente y, en particular, una respuesta lenta.

Describimos un nervio artificial de alta frecuencia basado en transistores electroquímicos orgánicos de integración homogénea.

Los nervios artificiales desarrollados por este equipo de investigadores se basan en transistores electroquímicos orgánicos de tipo n verticales, depositados secuencialmente sobre un sustrato.

Estos dispositivos pueden emular el funcionamiento de receptores, sinapsis y somas en el sistema nervioso humano, produciendo finalmente circuitos similares a los de los nervios.

Se fabricó un transistor electroquímico orgánico de tipo n vertical con una estructura bicontinua de gradiente entremezclado que mejora simultáneamente el transporte iónico y electrónico, así como el almacenamiento de iones, escribieron Wang, Wang y sus colegas.

El transistor presenta una respuesta volátil de 27 μs, una frecuencia de memoria no volátil de 100 kHz y un largo tiempo de retención de estado.

Se ha demostrado que los nervios artificiales introducidos anteriormente destacan en algunos dominios (p. ej., transporte iónico y electrónico, almacenamiento de memoria a largo plazo, etc.), mientras que alcanzan resultados subóptimos en otros.

Por el contrario, el sistema basado en transistores orgánicos creado por los investigadores logró un buen transporte iónico y electrónico, así como un almacenamiento de iones a largo plazo, superando así las desventajas previamente reportadas.

“Nuestro nervio artificial integrado, que contiene transistores electroquímicos orgánicos verticales de tipo n y tipo p, ofrece funciones de detección, procesamiento y memoria en el dominio de alta frecuencia“, escribieron los investigadores.

“También demostramos que el nervio artificial puede integrarse en modelos animales con funciones neuronales comprometidas y que puede imitar el comportamiento reflejo condicionado básico”.

Para evaluar el potencial de su nervio artificial, los investigadores lo implantaron en ratones con funciones neuronales deterioradas.

Sus hallazgos iniciales fueron muy prometedores, ya que se demostró que el sistema era compatible con los tejidos biológicos de los ratones, a la vez que imitaba eficazmente los reflejos condicionados por nervios.

En el futuro, este prometedor nervio artificial podría mejorarse aún más y probarse en una gama más amplia de experimentos para evaluar mejor su seguridad y rendimiento.

Con el tiempo, podría utilizarse para desarrollar tecnologías de reparación de circuitos nerviosos, así como interfaces cerebro-computadora, como prótesis controladas por el cerebro, dispositivos que permiten a los pacientes con parálisis comunicarse fácilmente con otros y sistemas para monitorear o manipular con precisión la actividad cerebral.

Fuente: Nature electronics