Implante cerebral superficial lê sinais neurais profundos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/01/2024

O implante é liso, sem agulhas. Sua parte crucial é a extremidade fina transparente - o restante é a malha de conexão aos aparelhos externos.
[Imagem: David Baillot/UCSD]

Implante neural

Este novo implante neural consegue capturar informações sobre a atividade nas profundezas do cérebro mesmo instalado apenas em sua superfície, sem perfurações.

O implante é composto por uma tira de polímero fina, transparente e flexível, que contém um denso conjunto de eletrodos de grafeno.

A tecnologia é um passo importante rumo à construção de uma interface cérebro-computador (ICC) capaz de fornecer dados de alta resolução sobre a atividade neural profunda usando gravações da superfície do cérebro.

O sensor supera algumas limitações das atuais tecnologias de implantes neurais. As matrizes superficiais, por exemplo, não têm a capacidade de capturar informações além das camadas externas do cérebro. Elas são tidas hoje como "minimamente invasivas" em comparação com os conjuntos de eletrodos com agulhas finas, que penetram no cérebro, sendo capazes de sondar camadas mais profundas. Estas versões mais invasivas, contudo, frequentemente levam a inflamação e cicatrizes, comprometendo a qualidade do sinal ao longo do tempo.

"Estamos expandindo o alcance espacial das gravações neurais com esta tecnologia," disse o professor Duygu Kuzum, da Universidade da Califórnia de San Diego. "Mesmo que o nosso implante resida na superfície do cérebro, o seu projeto vai além dos limites da detecção física, na medida em que pode inferir a atividade neural das camadas mais profundas."

A transparência é a principal vantagem do implante neural - os sensores propriamente ditos não são visíveis.
[Imagem: David Baillot/UCSD]

Escutando as profundezas

Em testes em camundongos transgênicos, o implante permitiu capturar informações de alta resolução sobre dois tipos de atividade neural - atividade elétrica e atividade de cálcio - ao mesmo tempo.

Colocado na superfície do cérebro, o implante imediatamente registra sinais elétricos dos neurônios das camadas externas. Contudo, os pesquisadores usaram um microscópio de dois fótons para direcionar a luz de um laser através do implante para obter imagens de picos de cálcio de neurônios localizados a uma profundidade de até 250 micrômetros abaixo da superfície - para isso, a transparência dos eletrodos de grafeno foi crucial.

Melhora ainda, os dados mostraram uma correlação entre os sinais elétricos superficiais e os picos de cálcio nas camadas mais profundas. Essa correlação permitiu usar os sinais elétricos superficiais para treinar redes neurais que se mostraram capazes de prever a atividade do cálcio, e não apenas para grandes populações de neurônios, mas também para neurônios individuais em várias profundidades.

"O modelo de rede neural é treinado para aprender a relação entre os registros elétricos da superfície e a atividade dos íons cálcio dos neurônios em profundidade," disse Kuzum. "Depois de aprender essa relação, podemos usar o modelo para prever a atividade profunda a partir [dos dados] da superfície."

As aplicações vão desde a pesquisa básica em cobaias até o monitoramento de condições neurológicas graves, como a epilepsia.
[Imagem: Mehrdad Ramezani et al. - 10.1038/s41565-023-01576-z]

Transparência

A transparência é uma das principais características deste implante neural. Os implantes tradicionais usam materiais metálicos opacos para seus sensores e eletrodos, que bloqueiam a visão dos neurônios abaixo durante experimentos de imageamento. Em contraste, o implante feito com grafeno é transparente, o que proporciona um campo de visão completamente claro para um microscópio durante a captura das imagens.

Para tornar o implante completamente transparente, os pesquisadores usaram fios de grafeno longos e superfinos, em vez dos fios metálicos tradicionais, para conectar os eletrodos à placa de circuito. No entanto, como fabricar uma única camada de grafeno fina e longa é quase impraticável, a equipe fabricou uma camada dupla dopada com ácido nítrico no meio, o que anula a larga maioria dos defeitos de cada camada individual.

"A integração perfeita das gravação de sinais elétricos e de imagens ópticas da atividade neural ao mesmo tempo só é possível com esta tecnologia," disse Kuzum. "Ser capaz de conduzir os dois experimentos ao mesmo tempo nos dá dados mais relevantes porque podemos ver como os experimentos de imagem estão acoplados no tempo aos registros elétricos."

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