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1,000-eletrodo implante pode sobreviver no cérebro de seis anos

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23 de abril 2020

1,000-eletrodo implante pode sobreviver no cérebro de seis anos

Pesquisadores têm demonstrado a capacidade para implante de um ultra-fino e flexível neural interface com mais de 1.000 eletrodos no cérebro, com uma vida útil de, pelo menos, seis anos.

Protegido do que assola o ambiente interno de processos biológicos por menos de um micron de material, a conquista é um passo importante na direção de alta-resolução de interfaces neurais que pode persistir por dentro do corpo humano para uma vida inteira.

“Tentando conseguir esses sensores para trabalhar o cérebro é como lançar o seu dobrável, flexível smartphone no mar e esperando-o para trabalhar para 70 anos”, disse Jonathan Viventi, professor assistente de engenharia biomédica na Universidade de Duke. “Exceto que nós estamos fazendo dispositivos que são muito mais fino e muito mais flexível do que os telefones atualmente no mercado. Esse é o desafio.”

O corpo humano é um implacável lugar, se você for um hóspede não convidado – especialmente se você estiver feitos de polímeros ou de metal. Além de ataques dos tecidos adjacentes e sistema imunológico, objetos estranhos deve suportar um corrosivo, ambiente salino.

A criação de dispositivos elétricos que podem sobreviver a este ataque é ainda mais assustadora perspectiva. Corrente de longo prazo dispositivos implantáveis são quase que universalmente hermeticamente selado dentro de uma soldada a laser titanium carcaça. Pense em um “pacemaker”, por exemplo.

“A construção à prova de água, em massa gabinetes para tais tipos de implantes representa um nível de desafio da engenharia”, disse John Rogers, Professor de Ciência dos Materiais e engenharia biofísica na Universidade de Northwestern. “Estamos relatando aqui o desenvolvimento bem sucedido de materiais que proporcionam níveis semelhantes de isolamento, mas com fina, flexível membranas que são 100 vezes mais fino do que uma folha de papel.”

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Quando ele vem para o cérebro humano, o espaço e a flexibilidade são a essência. Não há espaço para a rígida dispositivos com paredes espessas. Esses desafios significa que neurais existentes interfaces podem amostra de apenas cerca de uma centena de sites, que empalidece em comparação com as dezenas de bilhões de neurônios que compõem o cérebro humano. Qualquer tentativa de tornar estes dispositivos maiores, invariavelmente, corre para o obstáculo de fiação de logística – porque cada sensor requer seu próprio fio, restrições de tamanho rapidamente se tornar um problema. Viventi e seus colegas têm trabalhado em uma abordagem diferente.

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“Você precisa mover os equipamentos eletrônicos próprios sensores e desenvolver a inteligência local que pode lidar com vários sinais de entrada”, disse Viventi. “Esta é a forma como câmeras digitais de trabalho. Você pode ter dezenas de milhões de pixels sem dezenas de milhões de fios, porque muitos pixels compartilham os mesmos canais de dados.”

Os pesquisadores já tinham desenvolvido flexível neural dispositivos com 360 eletrodos de apenas 25 micrômetros de espessura. Mas as tentativas anteriores para mantê-los seguros de danos no interior do corpo falha, mesmo o mais ínfimo defeito contribuiu para que todo o esforço.

“Tentamos um monte de estratégias antes”, disse Viventi. “Depósito de polímeros tão fino quanto é necessário resultou em defeitos que causou a falha, e mais grosso polímeros não têm a flexibilidade necessária. Mas nós finalmente encontrei uma estratégia que venceu todos eles, e tem feito agora atuam no cérebro.”

Em seu novo papel – publicado pelo periódico Science Translational Medicine – Viventi e colegas demonstram que um termicamente crescido camada de dióxido de silício com menos de um micron de espessura pode durar por longos períodos em um ambiente hostil dentro do cérebro, degradante, a uma taxa de apenas 0.46 nanómetros (nm) por dia. E porque este material é biocompatível, qualquer traço quantidade que se dissolve em que o corpo não deve criar qualquer de seus próprios problemas.

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O dispositivo de eléctrodos podem detectar a atividade neuronal através de sensoriamento capacitivo – o mesmo tipo de tecnologia que pode detectar os movimentos de um dedo em um smartphone touchscreen. Para testar o seu trabalho, eles implantaram uma versão de 64-eletrodo de interface neural em ratos por mais de um ano e um 1,008-eletrodo de interface neural no córtex motor de um macaco usando uma tela sensível ao toque.

“A implementação bem-sucedida, o dispositivo em macacos fazendo com aparência humana tarefas é um grande salto para a frente”, disse Bijan Pesaran, Professor de Ciência Neural da Universidade de Nova York. “Agora, podemos refinar nossa tecnologia para ajudar pessoas que sofrem de distúrbios cerebrais.”

Com base em seus resultados e experiências para aquecer os dispositivos para simular longos períodos de tempo, os pesquisadores acreditam que seus dispositivos podem suportar a implantação de mais de seis anos. Um estudante em Viventi laboratório está trabalhando agora para escalar este protótipo, a partir de 1.000 eletrodos em mais de 65.000.

“Um dos nossos objetivos é criar um novo tipo de visual protéticos que interage diretamente com o cérebro, que pode restaurar alguns, pelo menos de vista de capacidade para as pessoas com danos nos nervos ópticos”, conclui Viventi. “Mas também podemos utilizar estes tipos de dispositivos para controle de outros tipos de próteses, ou em uma ampla gama de neurociência projetos de pesquisa”.

Para o seu próximo aparelho, a equipe vai usar comercial fundições para fazer os eletrodos, que são muito superiores às suas próprias capacidades e que poderia aumentar o tempo de sobrevivência dentro do corpo humano, bem como aumentar a qualidade do sinal.

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Crédito: John Rogers, Da Universidade Northwestern,

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