As fibras de nanotubos de carbono inventadas na Rice University podem fornecer a melhor maneira de se comunicar diretamente com o cérebro.

As fibras provaram ser superiores aos eletrodos de metal para estimulação cerebral profunda e para ler sinais de uma rede neuronal. Porque eles fornecem uma conexão bidirecional, eles se mostram promissores no tratamento de pacientes com distúrbios neurológicos enquanto monitoram a resposta em tempo real dos circuitos neurais em áreas que controlam o movimento, humor e funções corporais.

Novos experimentos na Rice demonstraram que as fibras biocompatíveis são candidatas ideais para pequenas, eletrodos seguros que interagem com o sistema neuronal do cérebro, de acordo com os pesquisadores. Eles poderiam substituir eletrodos muito maiores atualmente usados ​​em dispositivos para terapias de estimulação cerebral profunda em pacientes com doença de Parkinson.

Eles também podem desenvolver tecnologias para restaurar funções sensoriais ou motoras e interfaces cérebro-máquina, bem como terapias de estimulação cerebral profunda para outros distúrbios neurológicos, incluindo distonia e depressão, os pesquisadores escreveram.

O artigo apareceu online esta semana no jornal American Chemical Society ACS Nano .

As fibras criadas pelo laboratório Rice do químico e engenheiro químico Matteo Pasquali consistem em feixes de longos nanotubos originalmente destinados a aplicações aeroespaciais onde a força, peso e condutividade são fundamentais.

Os nanotubos individuais medem apenas alguns nanômetros de diâmetro, mas quando milhões são agrupados em um processo chamado de fiação úmida, eles se tornam fibras semelhantes a fios com cerca de um quarto da largura de um cabelo humano.

“Desenvolvemos essas fibras como de alta resistência, materiais de alta condutividade, "Pasquali disse." Ainda, uma vez que os tivemos em nossas mãos, percebemos que eles tinham uma propriedade inesperada:eles são muito macios, muito parecido com um fio de seda. Sua combinação única de força, a condutividade e a suavidade os tornam ideais para a interface com a função elétrica do corpo humano. "

A chegada simultânea em 2012 de Caleb Kemere, um professor assistente da Rice que trouxe experiência em modelos animais da doença de Parkinson, e a autora principal Flavia Vitale, um cientista pesquisador no laboratório de Pasquali com graduação em engenharia química e biomédica, iniciou a investigação.

"O cérebro tem basicamente a consistência de um pudim e não interage bem com eletrodos de metal rígido, "Kemere disse." O sonho é ter eletrodos com a mesma consistência, e é por isso que estamos realmente entusiasmados com essas fibras flexíveis de nanotubos de carbono e sua biocompatibilidade de longo prazo. "

Testes de semanas de duração em células e depois em ratos com sintomas de Parkinson provaram que as fibras são estáveis ​​e tão eficientes quanto eletrodos de platina comerciais com apenas uma fração do tamanho. As fibras macias causavam pouca inflamação, o que ajudou a manter fortes conexões elétricas com os neurônios, evitando que as defesas do corpo causassem cicatrizes e encapsulassem o local da lesão.

As fibras de nanotubo de carbono altamente condutoras também mostram impedância muito mais favorável - a qualidade da conexão elétrica - do que eletrodos de metal de última geração, possibilitando um melhor contato em tensões mais baixas por longos períodos, Kemere disse.

A extremidade funcional da fibra é a ponta exposta, que tem quase a largura de um neurônio. O resto é envolto por uma camada de três mícrons de um polímero biocompatível com excelentes propriedades isolantes.

O desafio está em colocar as pontas. "Isso é realmente apenas uma questão de ter um atlas do cérebro, e durante o experimento ajustando os eletrodos muito delicadamente e colocando-os no lugar certo, "disse Kemere, cujo laboratório estuda maneiras de conectar sistemas de processamento de sinais e os centros de memória e cognitivos do cérebro.

Os médicos que implantam dispositivos de estimulação cerebral profunda começam com uma sonda de gravação capaz de "ouvir" os neurônios que emitem sinais característicos dependendo de suas funções, Kemere disse. Uma vez que o cirurgião encontra o local certo, a sonda é removida e o eletrodo estimulador inserido com cuidado. Fibras de nanotubos de carbono de arroz que enviam e recebem sinais simplificam a implantação, Vitale disse.

As fibras podem levar a dispositivos terapêuticos autorreguláveis ​​para Parkinson e outros pacientes. Os dispositivos atuais incluem um implante que envia sinais elétricos ao cérebro para acalmar os tremores que afligem os pacientes com Parkinson.

"Mas nossa tecnologia permite a capacidade de gravar enquanto estimula, "Vitale disse." Eletrodos de corrente só podem estimular o tecido. Eles são muito grandes para detectar qualquer atividade de pico, então, basicamente, os dispositivos clínicos enviam pulsos contínuos, independentemente da resposta do cérebro. "

Kemere prevê um sistema de circuito fechado que pode ler sinais neuronais e adaptar a terapia de estimulação em tempo real. Ele prevê a construção de um dispositivo com muitos eletrodos que podem ser endereçados individualmente para obter um controle preciso sobre a estimulação e monitoramento de um pequeno, dispositivo implantável.

"Interessantemente, a condutividade não é a propriedade elétrica mais importante das fibras de nanotubos, "Pasquali disse." Essas fibras são intrinsecamente porosas e extremamente estáveis, que são grandes vantagens sobre os eletrodos de metal para detectar sinais eletroquímicos e manter o desempenho por longos períodos de tempo. "