p (Phys.org) - Neuroprostheses, sondas neurais e outros implantes de tecido intraneural têm oferecido benefícios notáveis ​​aos destinatários em uma série de áreas na pesquisa neurocientífica e aplicações biomédicas, exemplos terapêuticos não sendo apenas a doença de Alzheimer, Mal de Parkinson, epilepsia, traumatismo crâniano, e outras condições neurológicas / neurologicamente relacionadas, bem como cognição, memória, e distúrbios sensório-motores. Contudo, os implantes neurais atuais têm várias desvantagens, incluindo inflamação do tecido neural ou cicatrizes devido ao micromovimento do dispositivo, bem como a longevidade e a necessidade potencial de remoção, e requisitos de alta potência. Desenvolver sondas elétricas que se integrem perfeitamente ao tecido neural tem sido, portanto, um objetivo cobiçado. Para esse fim, cientistas da Universidade de Harvard relataram o sucesso na implantação de um neuromórfico (isto é, tendo uma estrutura semelhante ao tecido cerebral) sonda neural eletrônica de malha aberta ultraflexível que é entregue a regiões cerebrais específicas por meio de injeção de seringa (um protocolo publicado em 2015 em Nature Nanotechnology ) ¹ . p A sonda - que não requer fonte de alimentação - registra diretamente as mudanças de voltagem neural, sendo capaz de interagir com todas as regiões do cérebro, desde o nível de um único neurônio até circuitos e redes, em que o eletrodo de registro de malha é conectado por linhas de metal passivadas (isto é, tendo um revestimento protetor aplicado à sua superfície) para almofadas de entrada / saída localizadas na extremidade oposta da estrutura de malha. Esses pads de E / S, por sua vez, são então conectados a cabos flexíveis planos (FFC) e plugados em um sistema externo para gravação. Os pesquisadores também realizaram estudos pós-implantação sistemáticos, encontrar respostas imunes neurais mínimas ou ausentes, além disso, o tecido cerebral havia penetrado e se fundido com a sonda de malha. Os cientistas observam que o implante de malha pode nunca exigir remoção, mas se exigir, fazer isso seria um procedimento direto, senão sem problemas. Eles concluíram que a maioria das áreas de pesquisa em neurociência fundamental poderiam se beneficiar de malha eletrônica fornecendo estabilidade de longo prazo e resolução de neurônio único - capacidades únicas não encontradas em neuropróteses convencionais - e afirmam em seu artigo que sondas eletrônicas de malha aberta ultraflexíveis poderiam no futuro permitir um ampla gama de oportunidades para na Vivo registro crônico e modulação da atividade cerebral.

p Biologia Química Mark Hyman Jr. Professor de Química Charles Lieber discutiu o artigo que ele, Autor principal, aluno de graduação Tao Zhou, Pós-doutorado Guosong Hong, e seus colegas publicaram em Proceedings of the National Academy of Sciences . "O principal desafio de projetar e implantar uma sonda injetável ultraflexível de malha aberta é garantir que o projeto tenha quatro características principais, "Lieber conta Phys.org . Esses fatores são aberturas de malha maiores do que os corpos celulares para facilitar a penetração dos neurônios; recursos do elemento de malha que são do mesmo tamanho ou menores do que os neurônios; flexibilidade que neste estudo foi muitas ordens de magnitude maior do que a dos neurônios; e malha eletrônica que pode ser facilmente injetada através de agulhas de calibre muito alto para controlar com precisão a posição da malha. "Ao projetar a eletrônica de malha de modo que todas as propriedades principais sejam neuromorficamente semelhantes ao tecido neural, eliminamos a resposta imunológica crônica encontrada em todas as outras sondas e implantes médicos, que são mais como espinhos em seu tecido. "

p Como mencionado anteriormente, o artigo dos cientistas de 2015 deu início ao conceito de eletrônicos injetáveis ​​com seringa, que Lieber observa que abre um novo campo com muitas oportunidades à espera de novos estudos - um exemplo sendo a co-injeção de eletrônicos e células, onde a eletrônica de malha também funciona como um andaime de crescimento de tecido relevante para a medicina regenerativa. "No artigo que está sendo discutido aqui, relatamos estudos sistemáticos de histologia crônica dependente do tempo da interface tecido-malha depois que as sondas de malha foram implantadas em cérebros de roedores. Ambos horizontais (que contém seções transversais de sondas de malha implantadas) e sagitais (que contém quase todas as sondas de malha implantadas) fatias de cérebro foram usadas para imuno-histoquímica e foram coradas com anticorpos que podem ter como alvo o corpo do neurônio, axônios, astrócitos e microglia. Os resultados neste artigo revelam a singularidade das sondas de malha em termos de resposta mínima ou ausência de tecido e penetração de neurônios quando implantados cronicamente no cérebro.

p Os pesquisadores usaram fotolitografia padrão para fabricar as sondas eletrônicas de malha usando um fotorresiste à base de poliimida (as poliimidas são biocompatíveis) em uma estrutura de três camadas;

p 1. a estrutura de malha inferior (normalmente ~ 400 nm de espessura) é definida de acordo com o projeto específico

p 2. as interconexões de metal, pads de entrada / saída, e os eletrodos cerebrais são definidos, estes tendo aproximadamente 100 nm de espessura

p 3. a camada superior de poliimida resistente é definida de modo que todo o metal seja encapsulado, exceto para as almofadas de E / S e eletrodos, onde a abordagem e subsequente processamento de polímero leva a uma estrutura robusta quase monolítica <1 um de espessura

p Lieber aponta que a natureza neuromórfica das sondas eletrônicas de malha está relacionada aos três pontos acima, a compatibilidade bio / neural do polímero de poliimida usado para a malha, e a estrutura de malha tridimensional aberta pós-implantação. Juntos, ele adiciona, esses recursos tornam a eletrônica de malha injetada bastante semelhante às redes neurais que compõem o tecido cerebral, e, portanto, bastante distinto das sondas convencionais.

p "Os principais desafios de demonstrar que as sondas não provocam inflamação ou cicatrização - ao contrário da resposta típica de tecido crônica - é caracterizar a interface tecido-malha em momentos diferentes pós-implantação, "Lieber explica. Para conseguir isso, sem remover as sondas de malha implantadas, os pesquisadores dividiram os cérebros dos camundongos em cortes transversais e longitudinais ou sagitais (esquerda / direita). "As investigações das seções transversais e longitudinais com a sonda eletrônica de malha implantada forneceram visualizações detalhadas e globais, respectivamente, da interação sonda / tecido, "ele observa, salientando que, na maioria dos casos, as sondas convencionais devem ser removidas do tecido antes do corte, resultando na perda de algumas informações críticas da interface.

p "As fatias horizontais e sagitais do cérebro - que contêm seções transversais de sondas de malha implantadas, e quase toda a sonda de malha implantada, respectivamente - foram corados com anticorpos que podem ter como alvo neurônios somata, axônios, astrócitos e microglia, "Lieber continua, Além disso, ele aponta que esses estudos demonstraram que, ao contrário das sondas convencionais, neurônios somata e axônios em torno de sondas de malha não foram prejudicados, e levou a níveis de tecido natural na superfície da sonda de malha. "De forma similar, os marcadores de inflamação da resposta imune destacando astrócitos e microglia mostraram que essas espécies tornaram-se nível de fundo depois de apenas algumas semanas na malha eletrônica - mas proliferaram e se acumularam nas interfaces de sondas convencionais. "Os cientistas também descobriram que a capacidade de permitir os neurônios e a malha a interpenetrar é universal para todas as malhas que eles injetaram e tiveram imagens 6 ~ 12 semanas após a injeção, levando-os a iniciar experimentos adicionais para descobrir como o tamanho dos elementos estruturais da malha eletrônica e outros parâmetros podem ser ajustados para aumentar a capacidade de interpenetração de neurônios.

p Deve-se notar, Lieber conta Phys.org , que os pesquisadores estão sendo conservadores quando, em seu trabalho, escrevem uma resposta imunológica mínima, aguardando análises de marcadores mais detalhadas. "Na verdade, acreditamos que não haja resposta imune da malha porque nossos resultados mostram que qualquer aumento inicial no astrócito e na microglia retorna ao fundo sem diferença mensurável próxima ou distal à sonda em 12 semanas - e, conforme mostrado em nosso 2016 Métodos da Natureza papel ¹ —Até pelo menos um ano. Assim, acreditamos que a resposta se deve ao dano agudo que ocorre ao inserir a agulha (ou, nesse caso, qualquer sonda) no cérebro, mas dada a falta de resposta imunológica da sonda mesh, este dano agudo cura ao longo do tempo, ao invés de piorar, como é o caso das sondas convencionais. "

p O mínimo, o dano agudo recuperável e a ausência de uma resposta imune apóiam a possibilidade de que a malha eletrônica possa ser permanentemente viável. "De acordo com nossos estudos anteriores e em andamento até agora, as sondas mesh podem manter uma interface de gravação / estimulação estável com o tecido cerebral por pelo menos um a dois anos, "Diz Lieber." No entanto, este período de tempo não representa a expectativa de vida alcançável, uma vez que estudos em andamento estão em andamento para demonstrar estabilidade ainda a longo prazo. "Devido à limitação da vida de roedores de dois a três anos, os cientistas esperam encontrar uma estabilidade mais ampla em mamíferos de vida mais longa, como macacos rhesus, e em estudos em andamento. "No caso de ausência de resposta imune, conforme demonstrado em nosso artigo recente, a expectativa de vida da eletrônica de malha deve ser determinada apenas pela biocompatibilidade e vida útil dos materiais, incluindo os eletrodos de metal (ouro e platina, que são inertes), e o polímero passivador que foi extensivamente estudado em publicações anteriores (como Nemani et al ² ) para mostrar estabilidade a longo prazo em condições fisiológicas). Portanto, continuamos confiantes de que a eletrônica de malha provavelmente terá uma expectativa de vida com interface neural estável e funções de gravação / estimulação por anos, e imaginar a malha como um implante vitalício. "

p Contudo, Lieber acrescenta, caso a malha precise ser removida, pode ser extraído diretamente com o mínimo de força e danos ao cérebro. "Embora isso possa causar um pequeno dano devido à integração perfeita com o tecido neural, acreditamos que a estabilidade sem precedentes e a ausência de resposta imune crônica de nossa malha eletrônica semelhante a tecido neural levará a uma mudança de paradigma em que a sonda é um implante vitalício que não requer remoção ".

p Seguindo em frente, Lieber diz que estão conduzindo estudos contínuos de novos designs de malha com um grande número de eletrodos e injeções multisite. "Além disso, nossas próximas etapas incluem implantações de malha eletrônica em tecidos e órgãos além do cérebro - por exemplo, no olho para na Vivo registro de células ganglionares retinais únicas, na medula espinhal, no músculo para estudar a propagação do sinal na junção neuromuscular, e assim por diante. Também estamos iniciando estudos que exploram a estabilidade sem precedentes e a ausência de resposta imunológica crônica da malha eletrônica em modelos de doenças de Alzheimer e Parkinson, e estão trabalhando na implantação de componentes eletrônicos de malha em indivíduos primatas não humanos e pacientes humanos. "

p Eles também veem uma ampla gama de aplicações atuais e potenciais que se beneficiam do uso de sua sonda de malha, incluindo medula espinhal e implantes de junção neuromuscular, interfaces cérebro-máquina, animais ciborgues, envelhecimento natural e patológico (como a doença de Alzheimer) com uma visão de como a memória espacial e o aprendizado evoluem em função da idade e do estágio da doença. Além disso, adicionando eletrodos de estimulação, ser capaz de permitir um feedback de nível preciso que pode melhorar ou superar os declínios cognitivos associados ao envelhecimento e outras doenças neurodegenerativas.

p Quanto a outras áreas de pesquisa que podem se beneficiar de seu estudo, Lieber diz que, em geral, a maioria das áreas de pesquisa em neurociência fundamental poderia se beneficiar dos recursos exclusivos da malha eletrônica de estabilidade de longo prazo e resolução de neurônio único. "Além disso, almost any clinical/medical application that involves electrical recordings and/or stimulations will benefit from our studies. In addition to that mentioned above, " he concludes, "the mesh electronics should provide unique opportunities for brain-machine interfaces for tetraplegic patients, deep brain stimulations for the treatment of Parkinson's disease, and neural prosthetics in general." p © 2017 Phys.org