Arto Nurmikko y su colaborador, Ming Yin, examinan su prototipo inalámbrico. Imagen: Fred Field. Fuente: Universidad de Brown.
Un equipo de neuroingenieros de la Universidad de Brown (en Estados Unidos) ha desarrollado un sensor cerebral inalámbrico y totalmente implantable y recargable, capaz de retransmitir señales de banda ancha en tiempo real desde 100 neuronas de individuos moviéndose libremente.
Diversas copias de este novedoso sistema de bajo consumo, descrito en la revista Journal of Neural Engineering, han funcionado bien en modelos animales durante más de un año, lo que supone un avance hacia el desarrollo de interfaces cerebro-ordenador que algún día permitirán a personas con parálisis severa controlar aparatos solo con el pensamiento.
Anteriormente, ya se había evaluado la capacidad de personas con parálisis para mover brazos robóticos o cursores de ordenador usando dispositivos de este tipo, aunque con cable.
El hecho de que el nuevo sistema sea inalámbrico acerca más a los investigadores a su objetivo final, publica la Universidad de Brown en un comunicado.
Sobre el sistema, Arto Nurmikko, profesor de ingeniería de la Universidad de Brown y supervisor de su desarrollo, explica que este “tiene características similares a las de un teléfono móvil, salvo que, en este caso, la conversación surge del cerebro, que habla de forma inalámbrica”.
Todo en una ‘lata’ con ojo de buey
En el dispositivo, un chip de electrodos del tamaño de una píldora, implantado en la corteza cerebral, envía señales a través de conexiones eléctricas especialmente diseñadas y situadas dentro de él. El sistema fue sellado con láser, y es como una ‘lata’ de titanio, herméticamente cerrada.
La ‘lata’ mide 56 milímetros de largo y 42 milímetros de ancho y tiene nueve milímetros de grosor. En este volumen minúsculo alberga todo el sistema: una batería de ión-litio, circuitos integrados de baja energía para el procesamiento y conversión de señales, transmisores de infrarrojos de radio inalámbricos, y una bobina de cobre para las recargas.
Las señales inalámbricas y de carga pasan a través de una ventana de zafiro transparente a la energía electromagnética. En general, el dispositivo se parece a una lata de sardinas en miniatura con un ojo de buey, y transmite datos a 24 megabits por segundo (Mbps) en frecuencias de microondas de 3,2 y 3,8 gigahercios, hacia un receptor externo. Con una carga de dos horas, puede funcionar sin cable durante más de seis porque utiliza menos de 100 milivatios de potencia, explican los investigadores.
El mayor logro conseguido es la integración, en un espacio tan diminuto, de tantos elementos y que estos hayan funcionado, de manera inalámbrica, durante más de 12 meses en modelos animales. Por todo, cada vez está más cerca su aplicación clínica en humanos.
Diversas copias de este novedoso sistema de bajo consumo, descrito en la revista Journal of Neural Engineering, han funcionado bien en modelos animales durante más de un año, lo que supone un avance hacia el desarrollo de interfaces cerebro-ordenador que algún día permitirán a personas con parálisis severa controlar aparatos solo con el pensamiento.
Anteriormente, ya se había evaluado la capacidad de personas con parálisis para mover brazos robóticos o cursores de ordenador usando dispositivos de este tipo, aunque con cable.
El hecho de que el nuevo sistema sea inalámbrico acerca más a los investigadores a su objetivo final, publica la Universidad de Brown en un comunicado.
Sobre el sistema, Arto Nurmikko, profesor de ingeniería de la Universidad de Brown y supervisor de su desarrollo, explica que este “tiene características similares a las de un teléfono móvil, salvo que, en este caso, la conversación surge del cerebro, que habla de forma inalámbrica”.
Todo en una ‘lata’ con ojo de buey
En el dispositivo, un chip de electrodos del tamaño de una píldora, implantado en la corteza cerebral, envía señales a través de conexiones eléctricas especialmente diseñadas y situadas dentro de él. El sistema fue sellado con láser, y es como una ‘lata’ de titanio, herméticamente cerrada.
La ‘lata’ mide 56 milímetros de largo y 42 milímetros de ancho y tiene nueve milímetros de grosor. En este volumen minúsculo alberga todo el sistema: una batería de ión-litio, circuitos integrados de baja energía para el procesamiento y conversión de señales, transmisores de infrarrojos de radio inalámbricos, y una bobina de cobre para las recargas.
Las señales inalámbricas y de carga pasan a través de una ventana de zafiro transparente a la energía electromagnética. En general, el dispositivo se parece a una lata de sardinas en miniatura con un ojo de buey, y transmite datos a 24 megabits por segundo (Mbps) en frecuencias de microondas de 3,2 y 3,8 gigahercios, hacia un receptor externo. Con una carga de dos horas, puede funcionar sin cable durante más de seis porque utiliza menos de 100 milivatios de potencia, explican los investigadores.
El mayor logro conseguido es la integración, en un espacio tan diminuto, de tantos elementos y que estos hayan funcionado, de manera inalámbrica, durante más de 12 meses en modelos animales. Por todo, cada vez está más cerca su aplicación clínica en humanos.
Posibles aplicaciones
El equipo de la Universidad de Brown colaboró estrechamente con neurocirujanos para implantar el dispositivo en tres cerdos y tres macacos Rhesus. La investigación con estos seis animales permitió a los científicos observar complejas señales neuronales durante 16 meses.
En el artículo del Journal of Neural Engineering, los investigadores muestran algunas de estas señales, registradas en laboratorio. En última instancia, sus registros podrían servir de información neurocientífica.
Los actuales sistemas con cable limitan las acciones de los sujetos de investigación, explica Nurmikko. El valor de la transmisión inalámbrica es que libera a los sujetos para moverse, lo que permite una variedad más amplia de comportamientos realistas.
Gracias a este sistema, por tanto, los neurocientíficos podrán observar las señales cerebrales que se producen durante acciones como la búsqueda de alimento y estudiar cómo se forman los circuitos neuronales para desarrollar planes de acción, estrategias de ejecución o en la toma de decisiones, en contextos de acción real.
Además, el diseño del nuevo dispositivo permite observar conjuntos de neuronas en múltiples áreas del cerebro vinculada dentro de redes cerebrales. Por eso, podrá usarse, por ejemplo, para estudiar el papel de la corteza motora en un modelo animal de enfermedad del Parkinson, que es uno de los proyectos del equipo.
Ahora los científicos trabajan para mejorar el dispositivo y que este llegue a trasmitir cantidades aún mayores de datos neuronales, así como para reducir aún más su tamaño y mejorar otros aspectos que posibiliten su aplicación clínica.
El equipo de la Universidad de Brown colaboró estrechamente con neurocirujanos para implantar el dispositivo en tres cerdos y tres macacos Rhesus. La investigación con estos seis animales permitió a los científicos observar complejas señales neuronales durante 16 meses.
En el artículo del Journal of Neural Engineering, los investigadores muestran algunas de estas señales, registradas en laboratorio. En última instancia, sus registros podrían servir de información neurocientífica.
Los actuales sistemas con cable limitan las acciones de los sujetos de investigación, explica Nurmikko. El valor de la transmisión inalámbrica es que libera a los sujetos para moverse, lo que permite una variedad más amplia de comportamientos realistas.
Gracias a este sistema, por tanto, los neurocientíficos podrán observar las señales cerebrales que se producen durante acciones como la búsqueda de alimento y estudiar cómo se forman los circuitos neuronales para desarrollar planes de acción, estrategias de ejecución o en la toma de decisiones, en contextos de acción real.
Además, el diseño del nuevo dispositivo permite observar conjuntos de neuronas en múltiples áreas del cerebro vinculada dentro de redes cerebrales. Por eso, podrá usarse, por ejemplo, para estudiar el papel de la corteza motora en un modelo animal de enfermedad del Parkinson, que es uno de los proyectos del equipo.
Ahora los científicos trabajan para mejorar el dispositivo y que este llegue a trasmitir cantidades aún mayores de datos neuronales, así como para reducir aún más su tamaño y mejorar otros aspectos que posibiliten su aplicación clínica.
Referencia bibliográfica:
David A Borton, Ming Yin, Juan Aceros and Arto Nurmikko. An implantable wireless neural interface for recording cortical circuit dynamics in moving primates. Journal of Neural Engineering (2013). DOI: 10.1088/1741-2560/10/2/026010.
David A Borton, Ming Yin, Juan Aceros and Arto Nurmikko. An implantable wireless neural interface for recording cortical circuit dynamics in moving primates. Journal of Neural Engineering (2013). DOI: 10.1088/1741-2560/10/2/026010.