Pares de nanofibras de carbono que se han probado para su uso como electrodos cerebrales. Imagen: Laboratorio de Pasquali. Fuente: Universidad de Rice.
Fibras de nanotubos de carbono inventadas en la Universidad de Rice (Houston, Texas, EE.UU.), pueden proporcionar la mejor manera de comunicarse directamente con el cerebro.
Las fibras han demostrado ser superiores a los electrodos de metal para la estimulación profunda del cerebro y para leer señales de una red neuronal. Debido a que proporcionan una conexión de dos carriles, se muestran prometedores para el tratamiento de pacientes con trastornos neurológicos, mientras se sigue la respuesta en tiempo real de los circuitos neuronales en áreas que controlan las funciones de movimiento, corporales y el humor.
Los nuevos experimentos de Rice demostraron que las fibras biocompatibles son candidatas ideales para hacer de electrodos pequeños y seguros que interactúan con el sistema neuronal del cerebro, según los investigadores. Podrían reemplazar a los electrodos mucho más grandes que actualmente se utilizan en dispositivos para terapias de estimulación cerebral profunda en pacientes con enfermedad de Parkinson.
También pueden servir para restaurar las funciones sensoriales o motoras y las interfaces cerebro-máquina, así como terapias de estimulación cerebral profunda para otros trastornos neurológicos, incluyendo la distonía y la depresión, escriben los investigadores. El documento aparecen en línea en la revista ACS Nano, de la American Chemical Society.
Las fibras creadas por el laboratorio del químico e ingeniero químico Matteo Pasquali consisten en paquetes de nanotubos largos previstos originalmente para aplicaciones aeroespaciales donde la fuerza, el peso y la conductividad son primordiales.
Los nanotubos individuales miden sólo unos pocos nanómetros de diámetro, pero cuando se agrupan millones en un proceso llamado hilatura húmeda, se convierten en fibras filiformes del ancho de aproximadamente una cuarta parte de un cabello humano.
"Desarrollamos estas fibras como materiales de alta resistencia y alta conductividad", explica Pasquali en la información de la Universidad de Rice. "Sin embargo, una vez que las tuvimos en nuestra mano, nos dimos cuenta de que tenían una propiedad inesperada: Son muy suaves, muy parecidas a un hilo de seda. Su combinación única de resistencia, conductividad y suavidad las hace ideales para una interfaz con la función eléctrica del cuerpo humano".
Impulso
La llegada simultánea en 2012 de Caleb Kemere, profesor asistente de Rice, que aportó sus conocimientos en modelos animales de la enfermedad de Parkinson, y de la autora principal del estudio Flavia Vitale, científica de investigación en el laboratorio de Pasquali, con títulos en ingeniería química y biomédica, impulsó la investigación.
"El cerebro tiene la consistencia del púdin y no interactúa bien con electrodos metálicos rígidos", dice Kemere. "El sueño es tener electrodos con la misma consistencia del cerebro, y es por eso que estamos muy entusiasmados con estas fibras de nanotubos de carbono flexibles y su biocompatibilidad a largo plazo."
Pruebas de smanas de duración sobre las células y luego en ratas con síntomas de Parkinson probaron que las fibras son estables y tan eficientes como los electrodos de platino comerciales de sólo una fracción del tamaño. Las fibras suaves causaron poca inflamación, lo que ayudó a mantener fuertes conexiones eléctricas con las neuronas evitando que las defensas del cuerpo cicatrizaran y encapsularan el sitio de la lesión.
Las fibras de nanotubos de carbono de alta conductividad también se muestran mucho más favorables a la impedancia - la calidad de la conexión eléctrica - que los electrodos metálicos con tecnología de última generación, por lo que permiten un mejor contacto con tensiones más bajas durante largos períodos, dice Kemere.
El extremo de la fibra que trabaja es la punta expuesta, que es aproximadamente del ancho de una neurona. El resto está encerrado con una capa de tres micras de un polímero flexible y biocompatible con excelentes propiedades aislantes.
Las fibras han demostrado ser superiores a los electrodos de metal para la estimulación profunda del cerebro y para leer señales de una red neuronal. Debido a que proporcionan una conexión de dos carriles, se muestran prometedores para el tratamiento de pacientes con trastornos neurológicos, mientras se sigue la respuesta en tiempo real de los circuitos neuronales en áreas que controlan las funciones de movimiento, corporales y el humor.
Los nuevos experimentos de Rice demostraron que las fibras biocompatibles son candidatas ideales para hacer de electrodos pequeños y seguros que interactúan con el sistema neuronal del cerebro, según los investigadores. Podrían reemplazar a los electrodos mucho más grandes que actualmente se utilizan en dispositivos para terapias de estimulación cerebral profunda en pacientes con enfermedad de Parkinson.
También pueden servir para restaurar las funciones sensoriales o motoras y las interfaces cerebro-máquina, así como terapias de estimulación cerebral profunda para otros trastornos neurológicos, incluyendo la distonía y la depresión, escriben los investigadores. El documento aparecen en línea en la revista ACS Nano, de la American Chemical Society.
Las fibras creadas por el laboratorio del químico e ingeniero químico Matteo Pasquali consisten en paquetes de nanotubos largos previstos originalmente para aplicaciones aeroespaciales donde la fuerza, el peso y la conductividad son primordiales.
Los nanotubos individuales miden sólo unos pocos nanómetros de diámetro, pero cuando se agrupan millones en un proceso llamado hilatura húmeda, se convierten en fibras filiformes del ancho de aproximadamente una cuarta parte de un cabello humano.
"Desarrollamos estas fibras como materiales de alta resistencia y alta conductividad", explica Pasquali en la información de la Universidad de Rice. "Sin embargo, una vez que las tuvimos en nuestra mano, nos dimos cuenta de que tenían una propiedad inesperada: Son muy suaves, muy parecidas a un hilo de seda. Su combinación única de resistencia, conductividad y suavidad las hace ideales para una interfaz con la función eléctrica del cuerpo humano".
Impulso
La llegada simultánea en 2012 de Caleb Kemere, profesor asistente de Rice, que aportó sus conocimientos en modelos animales de la enfermedad de Parkinson, y de la autora principal del estudio Flavia Vitale, científica de investigación en el laboratorio de Pasquali, con títulos en ingeniería química y biomédica, impulsó la investigación.
"El cerebro tiene la consistencia del púdin y no interactúa bien con electrodos metálicos rígidos", dice Kemere. "El sueño es tener electrodos con la misma consistencia del cerebro, y es por eso que estamos muy entusiasmados con estas fibras de nanotubos de carbono flexibles y su biocompatibilidad a largo plazo."
Pruebas de smanas de duración sobre las células y luego en ratas con síntomas de Parkinson probaron que las fibras son estables y tan eficientes como los electrodos de platino comerciales de sólo una fracción del tamaño. Las fibras suaves causaron poca inflamación, lo que ayudó a mantener fuertes conexiones eléctricas con las neuronas evitando que las defensas del cuerpo cicatrizaran y encapsularan el sitio de la lesión.
Las fibras de nanotubos de carbono de alta conductividad también se muestran mucho más favorables a la impedancia - la calidad de la conexión eléctrica - que los electrodos metálicos con tecnología de última generación, por lo que permiten un mejor contacto con tensiones más bajas durante largos períodos, dice Kemere.
El extremo de la fibra que trabaja es la punta expuesta, que es aproximadamente del ancho de una neurona. El resto está encerrado con una capa de tres micras de un polímero flexible y biocompatible con excelentes propiedades aislantes.
El reto
El reto consiste en la colocación de las puntas. "Eso es realmente sólo una cuestión de tener un atlas del cerebro, y de ajustar los electrodos con mucha delicadeza y ponerlos en el lugar correcto", dice Kemere, cuyo laboratorio estudia formas de conectar sistemas de procesamiento de señales y los centros de memoria y cognitivo del cerebro.
Los médicos que implantan dispositivos de estimulación cerebral profunda comienzan con una sonda de grabación capaz de "escuchar" a las neuronas que emiten señales características dependiendo de sus funciones, dice Kemere. Una vez que un cirujano encuentra el lugar correcto, retira la sonda e inserta suavemente el electrodo de estimulación. Las fibras de nanotubos de carbono de Rice envían y reciben señales que simplificarían la implantación, dice Vitale.
Las fibras podrían conducir a dispositivos terapéuticos de autorregulación para el Parkinson y otros pacientes. Los dispositivos actuales incluyen un implante que envía señales eléctricas al cerebro para calmar los temblores que afectan a los pacientes con Parkinson.
"Pero nuestra tecnología permite la posibilidad de grabar al mismo tiempo que se estimula", dice Vitale. "Los electrodos de corriente sólo pueden estimular el tejido. Son demasiado grandes para detectar cualquier actividad, así que básicamente los dispositivos clínicos envían pulsos continuos, independientemente de la respuesta del cerebro".
Kemere prevé un sistema de circuito cerrado que pueda leer las señales neuronales y adaptar la terapia de estimulación en tiempo real. Anticipa la construcción de un dispositivo con muchos electrodos que se pueden tratar de forma individual para obtener un control preciso sobre la estimulación y el seguimiento mediante un pequeño dispositivo implantable.
"Curiosamente, la conductividad no es la propiedad eléctrica más importante de las fibras de nanotubos", dice Pasquali. "Estas fibras son intrínsecamente porosas y extremadamente estables, que son dos grandes ventajas sobre los electrodos de metal para detectar señales electroquímicas y mantener el rendimiento durante largos períodos de tiempo."
El reto consiste en la colocación de las puntas. "Eso es realmente sólo una cuestión de tener un atlas del cerebro, y de ajustar los electrodos con mucha delicadeza y ponerlos en el lugar correcto", dice Kemere, cuyo laboratorio estudia formas de conectar sistemas de procesamiento de señales y los centros de memoria y cognitivo del cerebro.
Los médicos que implantan dispositivos de estimulación cerebral profunda comienzan con una sonda de grabación capaz de "escuchar" a las neuronas que emiten señales características dependiendo de sus funciones, dice Kemere. Una vez que un cirujano encuentra el lugar correcto, retira la sonda e inserta suavemente el electrodo de estimulación. Las fibras de nanotubos de carbono de Rice envían y reciben señales que simplificarían la implantación, dice Vitale.
Las fibras podrían conducir a dispositivos terapéuticos de autorregulación para el Parkinson y otros pacientes. Los dispositivos actuales incluyen un implante que envía señales eléctricas al cerebro para calmar los temblores que afectan a los pacientes con Parkinson.
"Pero nuestra tecnología permite la posibilidad de grabar al mismo tiempo que se estimula", dice Vitale. "Los electrodos de corriente sólo pueden estimular el tejido. Son demasiado grandes para detectar cualquier actividad, así que básicamente los dispositivos clínicos envían pulsos continuos, independientemente de la respuesta del cerebro".
Kemere prevé un sistema de circuito cerrado que pueda leer las señales neuronales y adaptar la terapia de estimulación en tiempo real. Anticipa la construcción de un dispositivo con muchos electrodos que se pueden tratar de forma individual para obtener un control preciso sobre la estimulación y el seguimiento mediante un pequeño dispositivo implantable.
"Curiosamente, la conductividad no es la propiedad eléctrica más importante de las fibras de nanotubos", dice Pasquali. "Estas fibras son intrínsecamente porosas y extremadamente estables, que son dos grandes ventajas sobre los electrodos de metal para detectar señales electroquímicas y mantener el rendimiento durante largos períodos de tiempo."
Referencia bibliográfica:
Flavia Vitale, Samantha R. Summerson, Behnaam Aazhang, Caleb Kemere, Matteo Pasquali: Neural Stimulation and Recording with Bidirectional, Soft Carbon Nanotube Fiber Microelectrodes. ACS Nano (2015). DOI: 10.1021/acsnano.5b01060
Flavia Vitale, Samantha R. Summerson, Behnaam Aazhang, Caleb Kemere, Matteo Pasquali: Neural Stimulation and Recording with Bidirectional, Soft Carbon Nanotube Fiber Microelectrodes. ACS Nano (2015). DOI: 10.1021/acsnano.5b01060