Pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram um implante neural que fornece informações sobre a atividade nas profundezas do cérebro enquanto está sentado em sua superfície. O implante é composto por uma tira de polímero fina, transparente e flexível que contém um denso conjunto de eletrodos de grafeno. A tecnologia, testada em camundongos transgênicos, aproxima os pesquisadores da construção de uma interface cérebro-computador (BCI) minimamente invasiva que fornece dados de alta resolução sobre a atividade neural profunda usando gravações da superfície do cérebro.



O trabalho está publicado na Nature Nanotechnology .

“Estamos expandindo o alcance espacial das gravações neurais com esta tecnologia”, disse o autor sênior do estudo, Duygu Kuzum, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Escola de Engenharia UC San Diego Jacobs. “Mesmo que o nosso implante resida na superfície do cérebro, o seu design vai além dos limites da detecção física, na medida em que pode inferir a actividade neural a partir de camadas mais profundas”.

Este trabalho supera as limitações das atuais tecnologias de implantes neurais. As matrizes de superfície existentes, por exemplo, são minimamente invasivas, mas não têm a capacidade de capturar informações além das camadas externas do cérebro. Em contraste, conjuntos de eletrodos com agulhas finas que penetram no cérebro são capazes de sondar camadas mais profundas, mas muitas vezes levam a inflamação e cicatrizes, comprometendo a qualidade do sinal ao longo do tempo.

O novo implante neural desenvolvido na UC San Diego oferece o melhor dos dois mundos.

O implante é uma tira de polímero fina, transparente e flexível que se adapta à superfície do cérebro. A tira é incorporada com um conjunto de pequenos eletrodos circulares de grafeno de alta densidade, cada um medindo 20 micrômetros de diâmetro. Cada eletrodo é conectado por um fio de grafeno com espessura micrométrica a uma placa de circuito.

Em testes em camundongos transgênicos, o implante permitiu aos pesquisadores capturar informações de alta resolução sobre dois tipos de atividade neural – atividade elétrica e atividade de cálcio – ao mesmo tempo. Quando colocado na superfície do cérebro, o implante registrou sinais elétricos dos neurônios nas camadas externas. Ao mesmo tempo, os pesquisadores usaram um microscópio de dois fótons para direcionar a luz do laser através do implante para obter imagens de picos de cálcio de neurônios localizados a uma profundidade de até 250 micrômetros abaixo da superfície.

Os pesquisadores encontraram uma correlação entre sinais elétricos superficiais e picos de cálcio em camadas mais profundas. Esta correlação permitiu aos investigadores utilizar sinais eléctricos de superfície para treinar redes neurais para prever a actividade do cálcio – não apenas para grandes populações de neurónios, mas também neurónios individuais – em várias profundidades.

“O modelo de rede neural é treinado para aprender a relação entre os registros elétricos da superfície e a atividade dos íons cálcio dos neurônios em profundidade”, disse Kuzum. "Depois de aprender essa relação, podemos usar o modelo para prever a atividade profunda da superfície."

Uma vantagem de ser capaz de prever a atividade do cálcio a partir de sinais elétricos é que isso supera as limitações dos experimentos de imagem. Ao obter imagens de picos de cálcio, a cabeça do sujeito deve ser fixada sob um microscópio. Além disso, esses experimentos só podem durar uma ou duas horas por vez.

"Como as gravações elétricas não têm essas limitações, nossa tecnologia torna possível realizar experimentos de maior duração, nos quais o sujeito é livre para se movimentar e realizar tarefas comportamentais complexas", disse o coautor do estudo, Mehrdad Ramezani, engenheiro elétrico e de computação. Ph.D. estudante no laboratório de Kuzum. "Isso pode fornecer uma compreensão mais abrangente da atividade neural em cenários dinâmicos do mundo real."

Projetar e fabricar o implante neural

A tecnologia deve seu sucesso a vários recursos de design inovadores:transparência e alta densidade de eletrodos combinados com métodos de aprendizado de máquina.

“Esta nova geração de eletrodos de grafeno transparentes embutidos em alta densidade nos permite amostrar a atividade neural com maior resolução espacial”, disse Kuzum. "Como resultado, a qualidade dos sinais melhora significativamente. O que torna esta tecnologia ainda mais notável é a integração de métodos de aprendizado de máquina, que tornam possível prever a atividade neural profunda a partir de sinais de superfície."

Este estudo foi um esforço colaborativo entre vários grupos de pesquisa da UC San Diego. A equipe, liderada por Kuzum, especializado no desenvolvimento de interfaces neurais multimodais, inclui o professor de nanoengenharia Ertugrul Cubukcu, especializado em técnicas avançadas de micro e nanofabricação de materiais de grafeno; o professor de engenharia elétrica e de computação Vikash Gilja, cujo laboratório integra conhecimentos específicos de domínio das áreas de neurociência básica, processamento de sinais e aprendizado de máquina para decodificar sinais neurais; e o professor de neurobiologia e neurociências Takaki Komiyama, cujo laboratório se concentra na investigação de mecanismos de circuitos neurais subjacentes a comportamentos flexíveis.

A transparência é uma das principais características deste implante neural. Os implantes tradicionais usam materiais metálicos opacos para seus eletrodos e fios, que bloqueiam a visão dos neurônios abaixo dos eletrodos durante experimentos de imagem. Em contraste, um implante feito com grafeno é transparente, o que proporciona um campo de visão completamente claro para um microscópio durante experimentos de imagem.

“A integração perfeita de gravação de sinais elétricos e imagens ópticas da atividade neural ao mesmo tempo só é possível com esta tecnologia”, disse Kuzum. "Ser capaz de conduzir os dois experimentos ao mesmo tempo nos dá dados mais relevantes porque podemos ver como os experimentos de imagem estão acoplados no tempo aos registros elétricos."

Para tornar o implante completamente transparente, os pesquisadores usaram fios de grafeno longos e superfinos em vez dos fios de metal tradicionais para conectar os eletrodos à placa de circuito. No entanto, fabricar uma única camada de grafeno como um fio fino e longo é um desafio porque qualquer defeito tornará o fio não funcional, explicou Ramezani. "Pode haver uma lacuna no fio de grafeno que impede a passagem do sinal elétrico, então você basicamente acaba com um fio quebrado."

Os pesquisadores abordaram esse problema usando uma técnica inteligente. Em vez de fabricar os fios como uma única camada de grafeno, eles os fabricaram como uma camada dupla dopada com ácido nítrico no meio.

“Ao ter duas camadas de grafeno uma sobre a outra, há uma boa chance de que os defeitos em uma camada sejam mascarados pela outra camada, garantindo a criação de fios de grafeno totalmente funcionais, finos e longos, com melhor condutividade”, disse Ramezani.

De acordo com os pesquisadores, este estudo demonstra o conjunto de eletrodos transparentes mais densamente compactado em um implante neural na superfície até o momento. Alcançar alta densidade exigiu a fabricação de eletrodos de grafeno extremamente pequenos. Isso representou um desafio considerável, pois diminuir o tamanho dos eletrodos de grafeno aumenta sua impedância - isso dificulta o fluxo de corrente elétrica necessária para registrar a atividade neural.

Para superar esse obstáculo, os pesquisadores utilizaram uma técnica de microfabricação desenvolvida pelo laboratório de Kuzum que envolve a deposição de nanopartículas de platina nos eletrodos de grafeno. Esta abordagem melhorou significativamente o fluxo de elétrons através dos eletrodos, mantendo-os minúsculos e transparentes.

Próximas etapas

A seguir, a equipe se concentrará em testar a tecnologia em diferentes modelos animais, com o objetivo final de tradução humana no futuro.

O grupo de pesquisa de Kuzum também se dedica a usar a tecnologia para promover pesquisas fundamentais em neurociência. Com esse espírito, eles estão compartilhando a tecnologia com laboratórios nos EUA e na Europa, contribuindo para diversos estudos que vão desde a compreensão de como a atividade vascular está acoplada à atividade elétrica no cérebro até a investigação de como as células localizadas no cérebro são tão eficientes na criação de memória espacial. .

“Esta tecnologia pode ser usada para muitas investigações fundamentais da neurociência, e estamos ansiosos para fazer a nossa parte para acelerar o progresso na melhor compreensão do cérebro humano”, disse Kuzum.

Mais informações: Matrizes de grafeno transparente de alta densidade para previsão da atividade de cálcio celular em profundidade a partir de registros de potencial de superfície, Nanotecnologia da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41565-023-01576-z
Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza

Fornecido pela Universidade da Califórnia - San Diego