Philipp Gutruf, professor de engenharia biomédica da Universidade do Arizona, é o primeiro autor do artigo Fully implantable, sistemas optoeletrônicos sem bateria, operação multimodal na pesquisa em neurociência, publicado em Nature Electronics .

A optogenética é uma técnica biológica que usa luz para ligar ou desligar grupos de neurônios específicos no cérebro. Por exemplo, pesquisadores podem usar estimulação optogenética para restaurar o movimento em caso de paralisia ou, no futuro, para desligar as áreas do cérebro ou da coluna que causam dor, eliminando a necessidade - e a dependência crescente de - opioides e outros analgésicos.

"Estamos fazendo essas ferramentas para entender como as diferentes partes do cérebro funcionam, "A vantagem da optogenética é que você tem especificidade celular:você pode ter como alvo grupos específicos de neurônios e investigar sua função e relação no contexto de todo o cérebro", disse Gutruf.

Em optogenética, pesquisadores carregam neurônios específicos com proteínas chamadas opsinas, que convertem a luz em potenciais elétricos que compõem a função de um neurônio. Quando um pesquisador ilumina uma área do cérebro, ele ativa apenas os neurônios carregados de opsina.

As primeiras iterações da optogenética envolveram o envio de luz para o cérebro por meio de fibras ópticas, o que significava que os assuntos de teste estavam fisicamente amarrados a uma estação de controle. Os pesquisadores desenvolveram uma técnica sem bateria usando eletrônicos sem fio, o que significava que os assuntos podiam se mover livremente.

Mas esses dispositivos ainda vinham com suas próprias limitações - eles eram volumosos e muitas vezes presos visivelmente fora do crânio, eles não permitiam o controle preciso da frequência ou intensidade da luz, e eles podiam estimular apenas uma área do cérebro por vez.

Assumindo mais controle e menos espaço

"Com esta pesquisa, avançamos dois ou três passos, "Gutruf disse." Fomos capazes de implementar o controle digital sobre a intensidade e a frequência da luz emitida, e os dispositivos são muito miniaturizados, para que possam ser implantados sob o couro cabeludo. Também podemos estimular de forma independente vários locais no cérebro do mesmo sujeito, o que também não era possível antes. "

A capacidade de controlar a intensidade da luz é crítica porque permite aos pesquisadores controlar exatamente quanto do cérebro a luz está afetando - quanto mais brilhante a luz, mais longe ele chegará. Além disso, controlar a intensidade da luz significa controlar o calor gerado pelas fontes de luz, e evitar a ativação acidental de neurônios que são ativados pelo calor.

O wireless, implantes sem bateria são alimentados por campos magnéticos oscilantes externos, e, apesar de suas capacidades avançadas, não são significativamente maiores ou mais pesadas do que as versões anteriores. Além disso, um novo design de antena eliminou um problema enfrentado por versões anteriores de dispositivos optogenéticos, em que a força do sinal sendo transmitido ao dispositivo variava dependendo do ângulo do cérebro:Um sujeito viraria sua cabeça e o sinal enfraqueceria.

"Este sistema tem duas antenas em um gabinete, que mudamos o sinal para frente e para trás muito rapidamente para que possamos alimentar o implante em qualquer orientação, "Gutruf disse." No futuro, esta técnica pode fornecer implantes sem bateria que fornecem estimulação ininterrupta sem a necessidade de remover ou substituir o dispositivo, resultando em procedimentos menos invasivos do que o marca-passo atual ou as técnicas de estimulação. "

Os dispositivos são implantados com um procedimento cirúrgico simples semelhante a cirurgias em que humanos são equipados com neuroestimuladores, ou "marca-passos cerebrais". Eles não causam efeitos adversos aos sujeitos, e sua funcionalidade não se degrada no corpo com o tempo. Isso pode ter implicações para dispositivos médicos, como marca-passos, que atualmente precisam ser substituídos a cada cinco a 15 anos.

O artigo também demonstrou que os animais implantados com esses dispositivos podem ser fotografados com segurança com tomografia computadorizada, ou CT, e ressonância magnética, ou ressonância magnética, que permitem uma visão avançada dos parâmetros clinicamente relevantes, como o estado do osso e do tecido e a colocação do dispositivo.