Pesquisadores da Universidade de Stanford desenvolveram um novo dispositivo para conectar o cérebro diretamente a tecnologias baseadas em silício. Embora os dispositivos de interface cérebro-máquina já existam - e sejam usados ​​para próteses, tratamento de doenças e pesquisas sobre o cérebro - este último dispositivo pode registrar mais dados e ao mesmo tempo ser menos invasivo do que as opções existentes.

"Ninguém pegou esses eletrônicos 2-D de silício e os combinou com a arquitetura tridimensional do cérebro antes, "disse Abdulmalik Obaid, um estudante de pós-graduação em ciência de materiais e engenharia em Stanford. "Tivemos que jogar fora o que já sabíamos sobre a fabricação de chips convencionais e projetar novos processos para trazer a eletrônica de silício para a terceira dimensão. E tivemos que fazer isso de uma forma que pudesse ser facilmente ampliada."

O dispositivo, o assunto de um artigo publicado em 20 de março em Avanços da Ciência , contém um pacote de microfios, com cada fio com menos da metade da largura do cabelo humano mais fino. Esses fios finos podem ser inseridos suavemente no cérebro e conectados do lado externo diretamente a um chip de silício que registra os sinais elétricos do cérebro que passam por cada fio - como fazer um filme de atividade elétrica neural. As versões atuais do dispositivo incluem centenas de microfios, mas as versões futuras podem conter milhares.

"A atividade elétrica é uma das formas de maior resolução de observar a atividade cerebral, "disse Nick Melosh, professor de ciência e engenharia de materiais em Stanford e co-autor sênior do artigo. "Com esta matriz de microfios, podemos ver o que está acontecendo no nível de um único neurônio. "

Os pesquisadores testaram sua interface cérebro-máquina em células retinianas isoladas de ratos e no cérebro de ratos vivos. Em ambos os casos, eles obtiveram com sucesso sinais significativos nas centenas de canais do array. A pesquisa em andamento determinará ainda mais quanto tempo o dispositivo pode permanecer no cérebro e o que esses sinais podem revelar. A equipe está especialmente interessada no que os sinais podem dizer a eles sobre o aprendizado. Os pesquisadores também estão trabalhando em aplicações em próteses, particularmente assistência de fala.

Vale a pena esperar

Os pesquisadores sabiam disso, a fim de atingir seus objetivos, eles tiveram que criar uma interface cérebro-máquina que não fosse apenas duradoura, mas também capaz de estabelecer uma conexão estreita com o cérebro, causando danos mínimos. Eles se concentraram em se conectar a dispositivos baseados em silício para aproveitar os avanços dessas tecnologias.

"Os chips de silício são tão poderosos e têm uma capacidade incrível de aumento de escala, "disse Melosh." Nosso array se une a essa tecnologia de maneira muito simples. Você pode simplesmente pegar o chip, pressione-o na extremidade exposta do pacote e receba os sinais. "

Um dos principais desafios enfrentados pelos pesquisadores foi descobrir como estruturar o array. Tinha que ser forte e durável, mesmo que seus componentes principais sejam centenas de fios minúsculos. A solução foi embrulhar cada fio em um polímero biologicamente seguro e, em seguida, agrupá-los dentro de um colar de metal. Isso garante que os fios estejam espaçados e devidamente orientados. Abaixo da gola, o polímero é removido para que os fios possam ser direcionados individualmente para o cérebro.

Os dispositivos de interface cérebro-máquina existentes são limitados a cerca de 100 fios, oferecendo 100 canais de sinal, e cada um deve ser cuidadosamente colocado à mão na matriz. Os pesquisadores passaram anos refinando suas técnicas de design e fabricação para permitir a criação de uma matriz com milhares de canais - seus esforços apoiados, em parte, por uma bolsa de grandes ideias do Wu Tsai Neurosciences Institute.

"O design deste dispositivo é completamente diferente de qualquer dispositivo de gravação de alta densidade existente, e a forma, o tamanho e a densidade da matriz podem ser simplesmente variados durante a fabricação. Isso significa que podemos gravar simultaneamente diferentes regiões do cérebro em diferentes profundidades com praticamente qualquer arranjo 3-D, "disse Jun Ding, professor assistente de neurocirurgia e neurologia, e coautor do artigo. "Se aplicado de forma ampla, esta tecnologia irá superar em muito a nossa compreensão do funcionamento do cérebro em estados de saúde e doença. "

Depois de passar anos perseguindo essa ideia ambiciosa, mas elegante, só no final do processo é que eles tinham um dispositivo que poderia ser testado em tecido vivo.

"Tivemos que pegar quilômetros de microfios e produzir matrizes em grande escala, em seguida, conecte-os diretamente a chips de silício, "disse Obaid, quem é o autor principal do artigo. "Depois de anos trabalhando nesse design, testamos na retina pela primeira vez e funcionou imediatamente. Foi extremamente reconfortante. "

Após seus testes iniciais na retina e em camundongos, os pesquisadores agora estão conduzindo estudos em animais de longo prazo para verificar a durabilidade da matriz e o desempenho das versões em grande escala. Eles também estão explorando que tipo de dados seu dispositivo pode relatar. Os resultados até agora indicam que eles podem ser capazes de observar o aprendizado e o fracasso à medida que acontecem no cérebro. Os pesquisadores estão otimistas sobre a possibilidade de algum dia usar o array para melhorar as tecnologias médicas para humanos, como próteses mecânicas e dispositivos que ajudam a restaurar a fala e a visão.