El polvo neuronal es un término que se utiliza para referirse a dispositivos de tamaño milimétrico que funcionan como sensores nerviosos alimentados de forma inalámbrica ; es un tipo de interfaz cerebro-computadora . Los sensores se pueden usar para estudiar, monitorear o controlar los nervios y músculos y para monitorear de forma remota la actividad neuronal. En la práctica, un tratamiento médico podría introducir miles de dispositivos de polvo neuronal en el cerebro humano. El término se deriva de " polvo inteligente ", ya que los sensores utilizados como polvo neuronal también pueden definirse por este concepto. [1]
Fondo
El diseño para el polvo neuronal se propuso por primera vez en un artículo de 2011 del Centro de Investigación Inalámbrico de Berkeley de la Universidad de California, que describía tanto los desafíos como los beneficios sobresalientes de crear una interfaz de computadora cerebral inalámbrica de larga duración (BCI) . [2] Si bien la historia de BCI comienza con la invención del electroencefalograma por Hans Berger en 1924, el término no apareció en la literatura científica hasta la década de 1970. La investigación distintiva del campo provino de la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA), luego de una beca de investigación de la National Science Foundation . [3]
Si bien el polvo neural se incluye en la categoría de BCI, también podría usarse en el campo de la neuroprótesis (también conocida como prótesis neural). Si bien los términos a veces se pueden usar indistintamente, la principal diferencia es que mientras que BCI generalmente conecta la actividad neuronal directamente a una computadora, la neuroprótesis tiende a conectar la actividad en el sistema nervioso central a un dispositivo destinado a reemplazar la función de una parte del cuerpo faltante o dañada. .
Función
Componentes
Los componentes principales del sistema de polvo neural incluyen los nodos sensores (polvo neural), que apuntan a estar en la escala de 10-100 µm 3 , y un interrogador subcraneal , que se ubicaría debajo de la duramadre y proporcionaría tanto energía como un enlace de comunicación con el polvo neural. Las motas de polvo neuronales consisten en un par de electrodos de grabación , un transistor personalizado y un sensor piezoeléctrico . [4] El cristal piezoeléctrico es capaz de registrar la actividad cerebral del espacio extracelular y convertirla en una señal eléctrica.
Transferencia de datos y energía
Si bien existen muchas formas de BCI, el polvo neuronal es único debido a su tamaño, capacidad inalámbrica y uso de tecnología de ultrasonido . Si bien muchos dispositivos comparables usan ondas electromagnéticas (como radiofrecuencias ) para interactuar con sensores neuronales inalámbricos, [5] [6] [7] [8] el uso de ultrasonido ofrece las ventajas de una mayor resolución espacial, así como una menor atenuación en el tejido. . Esto da como resultado profundidades de penetración más altas (y por lo tanto, una comunicación más fácil con el comunicador subcraneal), así como una menor distribución de energía no deseada en los tejidos del cuerpo debido a la dispersión o absorción. [4] Este exceso de energía tomaría la forma de calor, lo que dañaría el tejido circundante. El uso de ultrasonido también permite una mayor escala de los nodos sensores, lo que permite tamaños inferiores a 100 µm, lo que ofrece una gran posibilidad en el ámbito de la electrónica implantable.
Comunicación de retrodispersión
Debido al tamaño extremadamente pequeño de las motas de polvo neural, sería poco práctico y casi imposible crear un transmisor funcional en el propio sensor. Por tanto , se emplea la comunicación por retrodispersión , adoptada de las tecnologías de identificación por radiofrecuencia (RFID). En RFID pasiva, las etiquetas de la batería-menos son capaces de absorber y reflejar de frecuencia de radio (RF) cuando en las proximidades de un interrogador de RF, que es un dispositivo que transmite la energía de RF. A medida que reflejan la energía de RF de regreso al interrogador, son capaces de modular la frecuencia y, al hacerlo, codificar información. El polvo neural emplea este método haciendo que el comunicador subdural envíe un pulso de ultrasonido que luego es reflejado por los sensores de polvo neural. El cristal piezoeléctrico detecta la señal neuronal desde su ubicación en el espacio extracelular , y la energía de ultrasonido reflejada de regreso al interrogador se modularía de una manera que comunicaría la actividad registrada. [9]
En un modelo propuesto del sensor de polvo neuronal, el modelo de transistor permitió un método de separación entre los potenciales de campo local y los "picos" de potencial de acción , lo que permitiría una gran diversidad de datos adquiribles a partir de las grabaciones. [2]
Aplicaciones clínicas y sanitarias
Prótesis neurales
Algunos ejemplos de prótesis neurales incluyen implantes cocleares que pueden ayudar a restaurar la audición, [10] microchips de retina de silicona artificial que han demostrado ser efectivos en el tratamiento de la degeneración retiniana por retinitis pigmentosa , [11] e incluso prótesis motoras que podrían ofrecer la capacidad de movimiento. en los afectados por cuadriplejía o trastornos como la esclerosis lateral amiotrófica . [12] El uso de polvo neural junto con prótesis motoras podría permitir un control mucho más fino del movimiento.
Electroestimulación
Si bien los métodos de estimulación eléctrica de los nervios y el tejido cerebral ya se han empleado durante algún tiempo, el tamaño y la naturaleza inalámbrica del polvo neural permiten el avance en las aplicaciones clínicas de la técnica. Es importante destacar que debido a que los métodos tradicionales de neuroestimulación y ciertas formas de estimulación nerviosa, como la estimulación de la médula espinal, utilizan electrodos implantados que permanecen conectados a cables, el riesgo de infección y cicatrización es alto. Si bien estos riesgos no son un factor en el uso de polvo neuronal, el desafío de aplicar suficiente corriente eléctrica al nodo sensor sigue presente.
Apnea del sueño
Los dispositivos de electroestimulación ya han demostrado cierta eficacia en el tratamiento de la apnea obstructiva del sueño (AOS). Los investigadores que utilizaron un dispositivo de electroestimulación implantado quirúrgicamente en pacientes con AOS grave encontraron una mejora significativa durante un período de tratamiento de 12 meses con el dispositivo. [13] También se ha demostrado que la estimulación del nervio frénico es eficaz para reducir la apnea central del sueño . [14]
Control de la vejiga en parapléjicos
Los dispositivos de estimulación eléctrica han sido eficaces para permitir que los pacientes con lesiones de la médula espinal tengan una mejor capacidad para orinar y defecar mediante el uso de implantes radioenlace para estimular el área de la raíz anterior sacra de la columna [15]
Epilepsia
La terapia de estimulación eléctrica en pacientes con epilepsia ha sido un procedimiento bien establecido durante algún tiempo, y se remonta a la década de 1950. [16] Un objetivo primordial de la Sociedad Estadounidense de Epilepsia es el desarrollo continuo de la estimulación eléctrica cerebral automatizada (también conocida como estimulación contingente o de circuito cerrado), que proporciona estimulación eléctrica para detener las convulsiones basada en patrones cerebrales que indican que una convulsión está a punto de ocurrir. suceder. Esto proporciona un tratamiento mucho mejor para el trastorno que la estimulación que se basa en una estimación de cuándo podría ocurrir la convulsión. [17] Si bien la estimulación del nervio vago es a menudo un área objetivo para el tratamiento de las convulsiones epilépticas , se han realizado investigaciones sobre la eficacia de la estimulación en el hipocampo , el tálamo y el núcleo subtalámico . La neuromodulación cortical de circuito cerrado también se ha investigado como técnica de tratamiento para la enfermedad de Parkinson [18]
Referencias
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