Os pesquisadores desenvolveram sensores em nanoescala que podem ser injetados no corpo para rastrear de forma não invasiva a atividade cerebral usando a luz. A abordagem pode um dia oferecer uma nova maneira de estudar o cérebro ou avaliar o funcionamento do cérebro de pacientes sem a necessidade de cirurgia ou dispositivos implantados.

A. Ali Yanik, da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, irá relatar sobre a tecnologia, chamado NeuroSWARM ³ , no Congresso OSA Imaging and Applied Optics virtual realizado de 19 a 23 de julho. A apresentação de Yanik está marcada para terça-feira.

"NeuroSWARM ³ pode converter os sinais que acompanham os pensamentos em sinais mensuráveis ​​remotamente para uma interface cérebro-máquina de alta precisão, "disse Yanik." Isso permitirá que pessoas que sofrem de deficiências físicas interajam efetivamente com o mundo externo e controlem a tecnologia de exoesqueleto vestível para superar as limitações do corpo. Ele também pode pegar as primeiras assinaturas de doenças neurais. "

A abordagem oferece uma nova maneira de monitorar a atividade elétrica no cérebro usando uma sonda de sistema em nanopartículas que é comparável em tamanho a uma partícula viral. Os neurônios usam sinais elétricos para transmitir informações uns aos outros, tornando esses sinais cruciais para o pensamento, memória e movimento. Embora existam muitos métodos estabelecidos para rastrear a atividade elétrica do cérebro, a maioria requer cirurgia ou dispositivos implantados para penetrar no crânio e interagir diretamente com os neurônios.

Os pesquisadores nomearam sua nova tecnologia Neurophotonic Solution-Dispersible Wireless Activity Reporters para Medições Massivamente Multiplexadas, ou NeuroSWARM ³ .

A abordagem envolve a introdução de nanopartículas eletroplasmônicas projetadas no cérebro que convertem sinais elétricos em sinais ópticos, permitindo que a atividade cerebral seja rastreada com um detector óptico de fora do corpo.

As nanopartículas consistem em um núcleo de óxido de silício medindo 63 nanômetros de diâmetro com uma fina camada de poli (3, 4-etilenodioxitiofeno) e um revestimento de ouro com 5 nanômetros de espessura. Porque seu revestimento permite que eles cruzem a barreira hematoencefálica, eles podem ser injetados na corrente sanguínea ou diretamente no líquido cefalorraquidiano.

Uma vez no cérebro, os nanossensores são altamente sensíveis às mudanças locais no campo elétrico. Em testes de laboratório, protótipos in vitro do NeuroSWARM ³ foram capazes de gerar uma relação sinal-ruído de mais de 1, 000, um nível de sensibilidade que é adequado para detectar o sinal elétrico gerado quando um único neurônio dispara.

"Fomos pioneiros no uso de polímeros eletrocrômicos (por exemplo, PEDOT:PSS), para detecção óptica (sem fio) de sinais eletrofisiológicos, "Yanik acrescentou." Materiais eletrocrômicos com propriedades ópticas que podem ser modulados reversivelmente por um campo externo são convencionalmente usados ​​para aplicações de vidro / espelho inteligente. "

NeuroSWARM ³ pode ser pensado como uma antena plasmônica carregada eletrocromicamente em nanoescala operada ao contrário:em vez de aplicar uma voltagem conhecida, suas propriedades ópticas são moduladas pelas células eletrogênicas em sua vizinhança. Portanto, NeuroSWARM ³ fornece uma capacidade de detecção de sinal bioelétrico de campo distante em um único dispositivo de nanopartícula que inclui alimentação sem fio, detecção de sinal eletrofisiológico e capacidades de transmissão de dados em dimensões em nanoescala.

Os sinais ópticos gerados pelo NeuroSWARM ³ partículas podem ser detectadas de fora do cérebro usando luz infravermelha próxima com comprimentos de onda entre 1, 000-1, 700 nm. As nanopartículas podem funcionar indefinidamente sem a necessidade de uma fonte de energia ou fios.

Outros pesquisadores exploraram uma abordagem semelhante usando pontos quânticos projetados para responder a campos elétricos. Comparando as duas tecnologias, os pesquisadores descobriram NeuroSWARM ³ gera um sinal óptico quatro ordens de magnitude maior. Os pontos quânticos exigiam uma intensidade de luz dez vezes maior e cem vezes mais sondas para gerar um sinal comparável.

"Estamos apenas nos estágios iniciais desta nova tecnologia, mas acho que temos uma boa base para construir, "disse Yanik." Nosso próximo objetivo é iniciar experimentos em animais. "

Além de Yanik, os co-autores deste estudo incluem os alunos de graduação da UCSC Neil Hardy, Ahsan Habib, e a pesquisadora de graduação Tanya Ivanov.