Pequeño implante quirúrgico estimula eléctricamente el cerebro y el sistema nervioso

Desarrollan un implante quirúrgico pequeño como un grano de arroz que puede estimular eléctricamente el cerebro y el sistema nervioso sin usar una batería o una fuente de alimentación con cable.

El equipo de Rice fabricó un pequeño estimulador neural con energía magnética.

Las pruebas muestran que el poder “magnetoeléctrico” es una opción viable para implantes de grado clínico.

Neuroingenieros de la Universidad de Rice han creado un pequeño implante quirúrgico que puede estimular eléctricamente el cerebro y el sistema nervioso sin usar una batería o una fuente de alimentación con cable.

El estimulador neural extrae su energía de la energía magnética y tiene aproximadamente el tamaño de un grano de arroz.

Es el primer estimulador neural con energía magnética que produce el mismo tipo de señales de alta frecuencia que los implantes con batería clínicamente aprobados que se usan para tratar la epilepsia, la enfermedad de Parkinson, el dolor crónico y otras afecciones.

El ingrediente clave del implante es una película delgada de material “magnetoeléctrico” que convierte la energía magnética directamente en un voltaje eléctrico.

El método evita los inconvenientes de las ondas de radio, ultrasonido, luz e incluso bobinas magnéticas, todo lo cual se ha propuesto para alimentar pequeños implantes inalámbricos y se ha demostrado que sufren interferencias con el tejido vivo o producen cantidades dañinas de calor.

Para demostrar la viabilidad de la tecnología magnetoeléctrica, los investigadores mostraron que los implantes funcionaban en roedores que estaban completamente despiertos y libres para deambular por sus recintos.

“Hacer esa demostración de prueba de principio es realmente importante, porque es un gran salto tecnológico pasar de una demostración de mesa a algo que podría ser realmente útil para tratar a las personas“, dijo Jacob Robinson, autor correspondiente del estudio y miembro de Iniciativa de Neuroingeniería del Arroz.

“Nuestros resultados sugieren que el uso de materiales magnetoeléctricos para la entrega de energía inalámbrica es más que una idea novedosa.

Estos materiales son excelentes candidatos para bioelectrónica inalámbrica de grado clínico“.

Los implantes pequeños capaces de modular la actividad del cerebro y el sistema nervioso podrían tener implicaciones de gran alcance.

Si bien los implantes alimentados con batería se usan con frecuencia para tratar la epilepsia y reducir los temblores en pacientes con enfermedad de Parkinson, la investigación ha demostrado que la estimulación neural podría ser útil para tratar la depresión, los trastornos obsesivo compulsivos y más de un tercio de los que sufren de dolor crónico e intratable que a menudo conduce a ansiedad, depresión y adicción a los opioides.

Robinson dijo que la miniaturización en el estudio de la autora Amanda Singer es importante porque es la clave para hacer que la terapia de estimulación neural esté más ampliamente disponible creando dispositivos inalámbricos sin batería que sean lo suficientemente pequeños como para ser implantados sin cirugía mayor.

Los dispositivos del tamaño de un grano de arroz podrían implantarse en casi cualquier parte del cuerpo con un procedimiento mínimamente invasivo similar al utilizado para colocar stents en arterias bloqueadas.

El coautor del estudio y miembro de la iniciativa de neuroingeniería Caleb Kemere dijo:

“Cuando tienes que desarrollar algo que pueda implantarse por vía subcutánea en el cráneo de animales pequeños, tus limitaciones de diseño cambian significativamente.

Hacer que esto funcione en un roedor en un entorno sin restricciones realmente obligó a Amanda a reducir el tamaño y el volumen a la escala mínima posible“.

Para las pruebas de roedores, se colocaron dispositivos debajo de la piel de los roedores que podían moverse libremente por sus recintos.

Los roedores preferían estar en porciones de los recintos donde un campo magnético activaba el estimulador y proporcionaba un pequeño voltaje al centro de recompensa de sus cerebros.

Singer, un estudiante de física aplicada en el laboratorio de Robinson, resolvió el problema de la energía inalámbrica uniendo capas de dos materiales muy diferentes en una sola película.

La primera capa, una lámina magnetoestrictiva de hierro, boro, silicio y carbono, vibra a nivel molecular cuando se coloca en un campo magnético.

El segundo, un cristal piezoeléctrico, convierte la tensión mecánica directamente en un voltaje eléctrico.

“El campo magnético genera tensión en el material magnetoestrictivo“, dijo Singer.

“No hace que el material se vuelva visiblemente más grande y más pequeño, pero genera ondas acústicas y algunas de ellas tienen una frecuencia resonante que crea un modo particular que usamos llamado modo resonante acústico“.

La resonancia acústica en materiales magnetoestrictivos es lo que hace que los grandes transformadores eléctricos zumben audiblemente.

En los implantes de Singer, las reverberaciones acústicas activan la mitad piezoeléctrica de la película.

Robinson dijo que las películas magnetoeléctricas obtienen mucha energía pero funcionan a una frecuencia demasiado alta para afectar las células cerebrales.

“Una pieza importante de ingeniería que Amanda resolvió fue crear los circuitos para modular esa actividad a una frecuencia más baja a la que las células responderían“, dijo Robinson.

“Es similar a la forma en que funciona la radio AM.

Tienes estas ondas de muy alta frecuencia, pero están moduladas a una frecuencia baja que puedes escuchar“.

Singer dijo que crear una señal bifásica modulada que pudiera estimular las neuronas sin dañarlas era un desafío, al igual que la miniaturización.

“Cuando recibimos las revisiones después de esa primera presentación, los comentarios fueron,‘ OK, usted dice que puede hacerlo pequeño. Entonces, hágalo pequeño ‘”, dijo Singer.

“Entonces, pasamos otro año más o menos haciéndolo pequeño y demostrando que realmente funciona.

Ese fue probablemente el mayor obstáculo. Hacer dispositivos pequeños que funcionaran fue difícil, al principio ”.

En total, el estudio tomó más de cinco años, en gran parte porque Singer tuvo que hacer prácticamente todo desde cero, dijo Robinson.

“No hay infraestructura para esta tecnología de transferencia de energía“, dijo.

“Si usa radiofrecuencia (RF), puede comprar antenas de RF y generadores de señales de RF.

Si está utilizando ultrasonido, no es como si alguien dijera: “Ah, por cierto, primero tiene que construir la máquina de ultrasonido”.

“Amanda tuvo que construir todo el sistema, desde el dispositivo que genera el campo magnético hasta las películas en capas que convierten el campo magnético en voltaje y los elementos del circuito que lo modulan y lo convierten en algo que es clínicamente útil“.

Tenía que fabricarlo todo, empaquetarlo, ponerlo en un animal, crear los entornos de prueba y los accesorios para los experimentos in vivo y realizar esos experimentos.

Aparte de la lámina magnetoestrictiva y los cristales piezoeléctricos, no había nada en este proyecto que pudiera comprarse a un vendedor “.

Fuente: Rice