Neuroprostética - Neuroprosthetics

Neuroprostética (também chamada de prótese neural ) é uma disciplina relacionada à neurociência e engenharia biomédica preocupada com o desenvolvimento de próteses neurais . Às vezes, eles são contrastados com uma interface cérebro-computador , que conecta o cérebro a um computador, em vez de um dispositivo destinado a substituir a funcionalidade biológica ausente.

Próteses neurais são uma série de dispositivos que podem substituir uma modalidade motora, sensorial ou cognitiva que pode ter sido danificada como resultado de uma lesão ou doença. Os implantes cocleares são um exemplo de tais dispositivos. Esses dispositivos substituem as funções desempenhadas pelo tímpano e estribo enquanto simulam a análise de frequência realizada na cóclea . Um microfone em uma unidade externa capta o som e o processa; o sinal processado é então transferido para uma unidade implantada que estimula o nervo auditivo por meio de um arranjo de microeletrodos . Por meio da substituição ou ampliação de sentidos prejudicados, esses dispositivos pretendem melhorar a qualidade de vida de pessoas com deficiência.

Esses dispositivos implantáveis ​​também são comumente usados ​​em experimentação animal como uma ferramenta para ajudar os neurocientistas a desenvolver uma maior compreensão do cérebro e seu funcionamento. Ao monitorar sem fio os sinais elétricos do cérebro enviados por eletrodos implantados no cérebro do sujeito, o sujeito pode ser estudado sem que o dispositivo afete os resultados.

Sondar e registrar com precisão os sinais elétricos no cérebro ajudaria a entender melhor a relação entre uma população local de neurônios responsáveis ​​por uma função específica.

Os implantes neurais são projetados para serem os menores possíveis, a fim de serem minimamente invasivos, especialmente em áreas ao redor do cérebro, olhos ou cóclea. Esses implantes normalmente se comunicam com suas contrapartes protéticas sem fio. Além disso, a energia é atualmente recebida por meio da transmissão de energia sem fio através da pele. O tecido ao redor do implante geralmente é altamente sensível ao aumento da temperatura, o que significa que o consumo de energia deve ser mínimo para evitar danos aos tecidos.

O neuroprotético de uso mais difundido atualmente é o implante coclear, com mais de 300.000 em uso em todo o mundo a partir de 2012.

História

O primeiro implante coclear conhecido foi criado em 1957. Outros marcos incluem a primeira prótese motora para queda do pé na hemiplegia em 1961, o primeiro implante auditivo de tronco cerebral em 1977 e uma ponte nervosa periférica implantada na medula espinhal de um rato adulto em 1981. Em Em 1988, o implante de raiz lombar anterior e a estimulação elétrica funcional (FES) facilitaram a postura ereta e a deambulação, respectivamente, para um grupo de paraplégicos .

Em relação ao desenvolvimento dos eletrodos implantados no cérebro, uma dificuldade inicial era a localização confiável dos eletrodos, originalmente feita inserindo os eletrodos com agulhas e quebrando as agulhas na profundidade desejada. Sistemas recentes utilizam sondas mais avançadas, como as usadas na estimulação cerebral profunda para aliviar os sintomas da doença de Parkinson . O problema com qualquer uma das abordagens é que o cérebro flutua livremente no crânio, enquanto a sonda não, e impactos relativamente menores, como um acidente de carro em baixa velocidade, são potencialmente prejudiciais. Alguns pesquisadores, como Kensall Wise, da Universidade de Michigan , propuseram amarrar 'eletrodos a serem montados na superfície externa do cérebro' à superfície interna do crânio. No entanto, mesmo se bem-sucedido, o tethering não resolveria o problema em dispositivos destinados a serem inseridos profundamente no cérebro, como no caso da estimulação cerebral profunda (DBS).

Próteses visuais

Uma prótese visual pode criar um senso de imagem estimulando eletricamente os neurônios no sistema visual . Uma câmera iria transmitir sem fio para um implante, o implante iria mapear a imagem através de uma série de eletrodos. O conjunto de eletrodos deve estimular efetivamente de 600 a 1000 locais, estimulando esses neurônios ópticos na retina , e assim criará uma imagem. A estimulação também pode ser feita em qualquer lugar ao longo do caminho do sinal óptico. O nervo óptico pode ser estimulado para criar uma imagem ou o córtex visual pode ser estimulado, embora os testes clínicos tenham se mostrado mais eficazes para implantes de retina.

Um sistema de prótese visual consiste em um sistema de imagem externo (ou implantável) que adquire e processa o vídeo. A energia e os dados serão transmitidos ao implante sem fio pela unidade externa. O implante usa a energia / dados recebidos para converter os dados digitais em uma saída analógica que será fornecida ao nervo por meio de microeletrodos.

Fotorreceptores são os neurônios especializados que convertem fótons em sinais elétricos. Eles fazem parte da retina , uma estrutura neural multicamadas com cerca de 200 µm de espessura que reveste a parte de trás do olho . O sinal processado é enviado ao cérebro através do nervo óptico . Se qualquer parte dessa via for danificada, pode ocorrer cegueira .

A cegueira pode resultar de danos à via óptica ( córnea , humor aquoso , cristalino e vítreo ). Isso pode acontecer como resultado de um acidente ou doença. As duas doenças degenerativas retinianas mais comuns que resultam em cegueira secundária à perda de fotorreceptores são a degeneração macular relacionada à idade (DMRI) e a retinite pigmentosa (RP).

O primeiro ensaio clínico de uma prótese retinal implantada permanentemente foi um dispositivo com uma matriz de microfotodiodo passiva com 3500 elementos. Este teste foi implementado na Optobionics, Inc., em 2000. Em 2002, a Second Sight Medical Products , Inc. (Sylmar, CA) iniciou um teste com um protótipo de implante epirretinal com 16 eletrodos. Os sujeitos foram seis indivíduos com percepção de luz nua secundária a RP. Os sujeitos demonstraram sua habilidade de distinguir entre três objetos comuns (prato, xícara e faca) em níveis estatisticamente acima do acaso. Um dispositivo sub-retinal ativo desenvolvido pela Retina Implant GMbH (Reutlingen, Alemanha) iniciou os testes clínicos em 2006. Um IC com 1.500 microfotodiodos foi implantado sob a retina. Os microfotodíodos servem para modular os pulsos de corrente com base na quantidade de luz incidente no fotodíodo .

O trabalho experimental seminal para o desenvolvimento de próteses visuais foi feito por estimulação cortical usando uma grade de grandes eletrodos de superfície. Em 1968, Giles Brindley implantou um dispositivo de 80 eletrodos na superfície cortical visual de uma mulher cega de 52 anos. Como resultado da estimulação, o paciente conseguiu ver os fosfenos em 40 posições diferentes do campo visual. Este experimento mostrou que um dispositivo estimulador elétrico implantado pode restaurar algum grau de visão. Esforços recentes em próteses de córtex visual avaliaram a eficácia da estimulação do córtex visual em um primata não humano. Neste experimento, após um processo de treinamento e mapeamento, o macaco é capaz de realizar a mesma tarefa sacádica visual com estimulação elétrica e luminosa.

Os requisitos para uma prótese retiniana de alta resolução devem seguir as necessidades e desejos dos indivíduos cegos que se beneficiarão com o dispositivo. As interações com esses pacientes indicam que a mobilidade sem bengala, o reconhecimento facial e a leitura são as principais capacidades capacitadoras necessárias.

Os resultados e implicações das próteses visuais totalmente funcionais são empolgantes. No entanto, os desafios são graves. Para que uma imagem de boa qualidade seja mapeada na retina, é necessário um grande número de matrizes de eletrodos em microescala. Além disso, a qualidade da imagem depende de quanta informação pode ser enviada pelo link sem fio. Além disso, essa grande quantidade de informações deve ser recebida e processada pelo implante sem muita dissipação de energia que pode danificar o tecido. O tamanho do implante também é uma grande preocupação. Qualquer implante seria preferido para ser minimamente invasivo.

Com essa nova tecnologia, vários cientistas, incluindo Karen Moxon da Drexel , John Chapin da SUNY e Miguel Nicolelis da Duke University , iniciaram pesquisas sobre o projeto de uma prótese visual sofisticada. Outros cientistas discordaram do foco de sua pesquisa, argumentando que a pesquisa básica e o projeto do fio microscópico densamente povoado não eram sofisticados o suficiente para prosseguir.

Próteses auditivas

(Para receber som)

Os implantes cocleares (ICs), implantes auditivos do tronco cerebral (ABIs) e implantes auditivos do mesencéfalo (AMIs) são as três categorias principais para próteses auditivas. Os arranjos de eletrodos CI são implantados na cóclea, os arranjos de eletrodos ABI estimulam o complexo do núcleo coclear na parte inferior do tronco encefálico e os AMIs estimulam os neurônios auditivos no colículo inferior . Os implantes cocleares têm tido muito sucesso nessas três categorias. Hoje, a Advanced Bionics Corporation, a Cochlear Corporation e a Med-El Corporation são os principais fornecedores comerciais de implantes de cóclea.

Ao contrário dos aparelhos auditivos tradicionais que amplificam o som e o enviam através do ouvido externo, os implantes cocleares adquirem e processam o som e o convertem em energia elétrica para posterior distribuição ao nervo auditivo . O microfone do sistema CI recebe som do ambiente externo e o envia para o processador. O processador digitaliza o som e o filtra em bandas de frequência separadas que são enviadas para a região tonotônica apropriada na cóclea que corresponde aproximadamente a essas frequências.

Em 1957, os pesquisadores franceses A. Djourno e C. Eyries, com a ajuda de D. Kayser, forneceram a primeira descrição detalhada da estimulação direta do nervo auditivo em um sujeito humano. Os indivíduos descreveram ter ouvido sons de chilreio durante a simulação. Em 1972, o primeiro sistema de implante coclear portátil em um adulto foi implantado na House Ear Clinic. O US Food and Drug Administration (FDA) aprovou formalmente a comercialização do implante coclear House-3M em novembro de 1984.

O desempenho aprimorado do implante coclear não depende apenas da compreensão das limitações físicas e biofísicas da estimulação do implante, mas também da compreensão dos requisitos de processamento do padrão do cérebro. O processamento moderno de sinais representa as informações de fala mais importantes, ao mesmo tempo que fornece ao cérebro as informações de reconhecimento de padrões de que ele precisa. O reconhecimento de padrões no cérebro é mais eficaz do que o pré-processamento algorítmico na identificação de características importantes na fala. Uma combinação de engenharia, processamento de sinais, biofísica e neurociência cognitiva foi necessária para produzir o equilíbrio certo de tecnologia para maximizar o desempenho da prótese auditiva.

Os implantes cocleares também têm sido usados ​​para permitir o desenvolvimento da linguagem falada em crianças com surdez congênita, com notável sucesso em implantações precoces (antes de atingir os 2–4 anos de vida). Houve cerca de 80.000 crianças implantadas em todo o mundo.

O conceito de combinar estimulação eletroacústica simultânea (EAS) para fins de melhor audição foi descrito pela primeira vez por C. von Ilberg e J. Kiefer, da Universitätsklinik Frankfurt, Alemanha, em 1999. Nesse mesmo ano foi implantado o primeiro paciente de EAS . Desde o início dos anos 2000, a FDA está envolvida em um ensaio clínico de um dispositivo denominado "Hybrid" pela Cochlear Corporation. Este estudo tem como objetivo examinar a utilidade do implante de cóclea em pacientes com audição residual de baixa frequência. O "híbrido" utiliza um eletrodo mais curto do que o implante de cóclea padrão, uma vez que o eletrodo é mais curto, ele estimula a região do manjericão da cóclea e, portanto, a região tonotópica de alta frequência. Em teoria, esses dispositivos beneficiariam pacientes com audição residual significativa de baixa frequência que perderam a percepção na faixa de frequência da fala e, portanto, diminuíram os escores de discriminação.

Para a produção de som, consulte Síntese de voz .

Próteses para alívio da dor

O dispositivo SCS (Spinal Cord Stimulator) possui dois componentes principais: um eletrodo e um gerador. O objetivo técnico do SCS para dor neuropática é mascarar a área da dor do paciente com um formigamento induzido por estimulação, conhecido como " parestesia ", porque essa sobreposição é necessária (mas não suficiente) para obter o alívio da dor. A cobertura da parestesia depende de quais nervos aferentes são estimulados. Os mais facilmente recrutados por um eletrodo da linha média dorsal , próximo à superfície pial da medula espinhal , são as grandes aferências da coluna dorsal , que produzem ampla parestesia cobrindo segmentos caudalmente.

Nos tempos antigos, o peixe eletrogênico era usado como um choque para diminuir a dor. Os curandeiros desenvolveram técnicas específicas e detalhadas para explorar as qualidades generativas dos peixes para tratar vários tipos de dor, incluindo dor de cabeça. Por causa do constrangimento de usar um gerador de choques vivo, um bom nível de habilidade era necessário para aplicar a terapia ao alvo pelo tempo adequado. (Incluindo manter os peixes vivos o maior tempo possível) A eletroanalgesia foi a primeira aplicação deliberada de eletricidade. No século XIX, a maioria dos médicos ocidentais estava oferecendo aos seus pacientes eletroterapia por meio de gerador portátil. Em meados da década de 1960, entretanto, três coisas convergiram para garantir o futuro da eletroestimulação.

  1. A tecnologia de marcapasso , que teve início em 1950, tornou-se disponível.
  2. Melzack e Wall publicaram sua teoria de controle do portão da dor , que propunha que a transmissão da dor poderia ser bloqueada pela estimulação de grandes fibras aferentes.
  3. Médicos pioneiros se interessaram em estimular o sistema nervoso para aliviar a dor dos pacientes.

As opções de projeto para eletrodos incluem seu tamanho, forma, disposição, número e atribuição de contatos e como o eletrodo é implantado. A opção de design para o gerador de pulso inclui a fonte de energia, localização de posicionamento anatômico alvo, fonte de corrente ou tensão, taxa de pulso, largura de pulso e número de canais independentes. As opções de programação são muito numerosas (um eletrodo de quatro contatos oferece 50 combinações bipolares funcionais). Os aparelhos atuais utilizam equipamentos informatizados para encontrar as melhores opções de uso. Esta opção de reprogramação compensa as alterações posturais, migração do eletrodo, alterações na localização da dor e colocação subótima do eletrodo.

Próteses motoras

Os dispositivos que suportam a função do sistema nervoso autônomo incluem o implante para controle da bexiga . No sistema nervoso somático, as tentativas de auxiliar no controle consciente do movimento incluem a estimulação elétrica funcional e o estimulador da raiz anterior lombar .

Implantes de controle da bexiga

Quando uma lesão da medula espinhal leva à paraplegia, os pacientes têm dificuldade para esvaziar a bexiga e isso pode causar infecção. De 1969 em diante, Brindley desenvolveu o estimulador de raiz sacral anterior, com testes em humanos bem-sucedidos a partir do início dos anos 1980. Este dispositivo é implantado sobre os gânglios da raiz sacral anterior da medula espinhal; controlado por um transmissor externo, ele fornece estimulação intermitente que melhora o esvaziamento da bexiga. Também auxilia na defecação e permite que pacientes do sexo masculino tenham uma ereção completa e sustentada.

O procedimento relacionado de estimulação do nervo sacral é para o controle da incontinência em pacientes saudáveis.

Próteses motoras para controle consciente do movimento

Os pesquisadores estão atualmente investigando e construindo neuroprostética motora que ajudará a restaurar o movimento e a capacidade de se comunicar com o mundo exterior para pessoas com deficiências motoras, como tetraplegia ou esclerose lateral amiotrófica . A pesquisa descobriu que o estriado desempenha um papel crucial na aprendizagem sensorial motora. Isso foi demonstrado por um experimento no qual as taxas de disparo do corpo estriado de ratos de laboratório foram registradas em taxas mais altas após a realização de uma tarefa consecutivamente.

Para capturar sinais elétricos do cérebro, os cientistas desenvolveram matrizes de microeletrodos menores que um centímetro quadrado que podem ser implantados no crânio para registrar a atividade elétrica, transduzindo as informações registradas por meio de um cabo fino. Após décadas de pesquisa em macacos, os neurocientistas foram capazes de decodificar sinais neuronais em movimentos. Concluindo a tradução, os pesquisadores construíram interfaces que permitem que os pacientes movam os cursores do computador e estão começando a construir membros robóticos e exoesqueletos que os pacientes podem controlar pensando no movimento.

A tecnologia por trás das neuropróteses motoras ainda está em sua infância. Os investigadores e participantes do estudo continuam a experimentar diferentes maneiras de usar as próteses . Fazer um paciente pensar em cerrar o punho, por exemplo, produz um resultado diferente do que fazer com que ele pense em bater com o dedo. Os filtros usados ​​nas próteses também estão sendo ajustados e, no futuro, os médicos esperam criar um implante capaz de transmitir sinais de dentro do crânio sem fio , em vez de por meio de um cabo.

Antes desses avanços, Philip Kennedy ( Emory e Georgia Tech ) tinha um sistema operável, embora um tanto primitivo, que permitia a um indivíduo com paralisia soletrar palavras modulando sua atividade cerebral. O dispositivo de Kennedy usava dois eletrodos neurotróficos : o primeiro foi implantado em uma região cortical motora intacta (por exemplo, área de representação do dedo) e foi usado para mover um cursor entre um grupo de letras. O segundo foi implantado em uma região motora diferente e serviu para indicar a seleção.

Os desenvolvimentos continuam na substituição de braços perdidos por substituições cibernéticas, usando nervos normalmente conectados aos músculos peitorais. Esses braços permitem uma amplitude de movimento ligeiramente limitada e, segundo consta, estão programados para apresentar sensores para detectar pressão e temperatura.

O Dr. Todd Kuiken, da Northwestern University e do Rehabilitation Institute de Chicago, desenvolveu um método chamado reinervação direcionada para um amputado para controlar dispositivos protéticos motorizados e recuperar o feedback sensorial.

Em 2002, um conjunto de multieletrodos de 100 eletrodos , que agora forma a parte do sensor de um Braingate , foi implantado diretamente nas fibras nervosas medianas do cientista Kevin Warwick . Os sinais gravados foram usados ​​para controlar um braço robótico desenvolvido pelo colega de Warwick, Peter Kyberd, e foi capaz de imitar as ações do próprio braço de Warwick. Além disso, uma forma de feedback sensorial foi fornecida através do implante, passando pequenas correntes elétricas para o nervo. Isso causou uma contração do primeiro músculo lumbrica da mão e foi esse movimento que foi percebido.

Em junho de 2014, Juliano Pinto, um atleta paraplégico, deu o primeiro chute cerimonial na Copa do Mundo FIFA 2014 usando um exoesqueleto motorizado com interface para o cérebro. O exoesqueleto foi desenvolvido pelo Projeto Caminhada de Novo, no laboratório de Miguel Nicolelis, financiado pelo governo do Brasil. Nicolelis diz que o feedback dos membros substituídos (por exemplo, informações sobre a pressão experimentada por um pé protético tocando o solo) é necessário para o equilíbrio. Ele descobriu que, enquanto as pessoas puderem ver os membros sendo controlados por uma interface do cérebro se movendo ao mesmo tempo em que emitem o comando para fazê-lo, com o uso repetido, o cérebro assimilará o membro externamente alimentado e começará a percebê-lo ( em termos de percepção da posição e feedback) como parte do corpo.

Técnicas de amputação

O MIT Biomechatronics Group projetou um novo paradigma de amputação que permite que músculos biológicos e próteses mioelétricas tenham uma interface neural com alta confiabilidade. Este paradigma cirúrgico, denominado interface mioneural agonista-antagonista (AMI), fornece ao usuário a capacidade de sentir e controlar seu membro protético como uma extensão de seu próprio corpo, em vez de usar uma prótese que meramente se assemelha a um apêndice. Em uma relação de par de músculos agonista-antagonista normal (por exemplo, bíceps-tríceps), quando o músculo agonista se contrai, o músculo antagonista é alongado e vice-versa, proporcionando o conhecimento da posição de seu membro, mesmo sem ter que olhar para ele . Durante uma amputação padrão, os músculos agonista-antagonista (por exemplo, bíceps-tríceps) são isolados uns dos outros, impedindo a capacidade de ter o mecanismo de extensão de contrato dinâmico que gera feedback sensorial. Portanto, os amputados atuais não têm como sentir o ambiente físico que seus membros protéticos encontram. Além disso, com a cirurgia de amputação atual, que existe há mais de 200 anos, 1/3 dos pacientes são submetidos a cirurgias de revisão devido a dores no cotovelo.

Um AMI é composto por dois músculos que originalmente compartilhavam uma relação agonista-antagonista. Durante a cirurgia de amputação, esses dois músculos são mecanicamente ligados dentro do coto amputado. Um par de músculos IAM pode ser criado para cada grau de liberdade articular em um paciente, a fim de estabelecer o controle e a sensação de múltiplas articulações protéticas. Em testes preliminares dessa nova interface neural, pacientes com IAM demonstraram e relataram maior controle sobre a prótese. Além disso, foi observado um comportamento mais naturalmente reflexivo durante a caminhada em escadas em comparação com indivíduos com amputação tradicional. Um IAM também pode ser construído por meio da combinação de dois enxertos musculares desvascularizados. Esses enxertos musculares (ou retalhos) são músculos sobressalentes que são desnervados (destacados dos nervos originais) e removidos de uma parte do corpo para serem reinervados por nervos cortados encontrados no membro a ser amputado. Por meio do uso de retalhos musculares regenerados, os AMIs podem ser criados para pacientes com tecido muscular que sofreu atrofia extrema ou danos ou para pacientes que estão sendo submetidos à revisão de um membro amputado por motivos como dor de neuroma, esporão ósseo, etc.

Obstáculos

Modelagem matemática

A caracterização precisa dos parâmetros de entrada / saída (I / O) não lineares do tecido que funciona normalmente a ser substituído é fundamental para projetar uma prótese que imita os sinais sinápticos biológicos normais. A modelagem matemática desses sinais é uma tarefa complexa "devido à dinâmica não linear inerente aos mecanismos celulares / moleculares que compreendem os neurônios e suas conexões sinápticas". A saída de quase todos os neurônios cerebrais depende de quais entradas pós-sinápticas estão ativas e em que ordem as entradas são recebidas. (propriedades espaciais e temporais, respectivamente).

Uma vez que os parâmetros de E / S são modelados matematicamente, os circuitos integrados são projetados para imitar os sinais biológicos normais. Para que a prótese funcione como o tecido normal, ela deve processar os sinais de entrada, um processo conhecido como transformação , da mesma forma que o tecido normal.

Tamanho

Os dispositivos implantáveis ​​devem ser muito pequenos para serem implantados diretamente no cérebro, aproximadamente do tamanho de um quarto. Um dos exemplos de arranjo de eletrodos microimplantável é o arranjo de Utah.

Dispositivos de controle sem fio podem ser montados fora do crânio e devem ser menores que um pager.

Consumo de energia

O consumo de energia impulsiona o tamanho da bateria. A otimização dos circuitos implantados reduz as necessidades de energia. Dispositivos implantados atualmente precisam de fontes de alimentação on-board. Assim que a bateria acabar, é necessária uma cirurgia para substituir a unidade. Uma vida útil mais longa da bateria está relacionada a menos cirurgias necessárias para substituir as baterias. Uma opção que poderia ser usada para recarregar as baterias dos implantes sem cirurgia ou fios está sendo usada em escovas de dente elétricas. Esses dispositivos fazem uso de carga indutiva para recarregar baterias. Outra estratégia é converter energia eletromagnética em energia elétrica, como nas etiquetas de identificação por radiofrequência .

Biocompatibilidade

As próteses cognitivas são implantadas diretamente no cérebro, portanto a biocompatibilidade é um obstáculo muito importante a ser superado. Os materiais usados ​​no alojamento do dispositivo, o material do eletrodo (como óxido de irídio) e o isolamento do eletrodo devem ser escolhidos para implantação de longo prazo. Sujeito aos padrões: ISO 14708-3 2008-11-15, Implantes para cirurgia - Dispositivos médicos implantáveis ​​ativos Parte 3: neuroestimuladores implantáveis.

Cruzar a barreira hematoencefálica pode introduzir patógenos ou outros materiais que podem causar uma resposta imunológica. O cérebro tem seu próprio sistema imunológico, que atua de maneira diferente do sistema imunológico do resto do corpo.

Perguntas a serem respondidas: Como isso afeta a escolha do material? O cérebro tem fagos únicos que agem de maneira diferente e podem afetar materiais considerados biocompatíveis em outras áreas do corpo?

Transmissão de dados

A transmissão sem fio está sendo desenvolvida para permitir o registro contínuo de sinais neuronais de indivíduos em sua vida diária. Isso permite que médicos e clínicos capturem mais dados, garantindo que eventos de curto prazo, como convulsões epilépticas, possam ser registrados, permitindo um melhor tratamento e caracterização de doenças neurais.

Um dispositivo pequeno e leve foi desenvolvido para permitir o registro constante de neurônios cerebrais de primatas na Universidade de Stanford. Essa tecnologia também permite que os neurocientistas estudem o cérebro fora do ambiente controlado de um laboratório.

Os métodos de transmissão de dados entre próteses neurais e sistemas externos devem ser robustos e seguros. Os implantes neurais sem fio podem ter as mesmas vulnerabilidades de segurança cibernética de qualquer outro sistema de TI , dando origem ao termo neurossegurança . Uma violação de neurossegurança pode ser considerada uma violação da privacidade médica .

Implantação correta

A implantação do dispositivo apresenta muitos problemas. Primeiro, as entradas pré-sinápticas corretas devem ser conectadas às entradas pós-sinápticas corretas no dispositivo. Em segundo lugar, as saídas do dispositivo devem ser direcionadas corretamente ao tecido desejado. Em terceiro lugar, o cérebro deve aprender como usar o implante. Vários estudos sobre a plasticidade cerebral sugerem que isso pode ser possível por meio de exercícios elaborados com a motivação adequada.

Tecnologias envolvidas

Potenciais de campo locais

Potenciais de campo locais (LFPs) são sinais eletrofisiológicos que estão relacionados à soma de toda a atividade sináptica dendrítica dentro de um volume de tecido. Estudos recentes sugerem que as metas e o valor esperado são funções cognitivas de alto nível que podem ser usadas para próteses cognitivas neurais. Além disso, os cientistas da Rice University descobriram um novo método para ajustar as vibrações induzidas pela luz das nanopartículas por meio de pequenas alterações na superfície à qual as partículas estão fixadas. De acordo com a universidade, a descoberta pode levar a novas aplicações da fotônica, desde sensoriamento molecular até comunicações sem fio. Eles usaram pulsos de laser ultrarrápidos para induzir os átomos em nanodiscos de ouro a vibrar.

Sondas elétricas móveis automatizadas

Um obstáculo a superar é a implantação de eletrodos a longo prazo. Se os eletrodos são movidos por choque físico ou o cérebro se move em relação à posição do eletrodo, os eletrodos podem registrar nervos diferentes. O ajuste dos eletrodos é necessário para manter um sinal ideal. O ajuste individual de matrizes de múltiplos eletrodos é um processo muito tedioso e demorado. O desenvolvimento de eletrodos de ajuste automático mitigaria esse problema. O grupo de Anderson está atualmente colaborando com o laboratório de Yu-Chong Tai e o laboratório Burdick (todos na Caltech) para fazer um sistema que usa atuadores baseados em eletrólise para ajustar eletrodos de forma independente em uma matriz de eletrodos implantados cronicamente.

Técnicas cirúrgicas guiadas por imagem

A cirurgia guiada por imagem é usada para posicionar com precisão os implantes cerebrais.

Veja também

Referências

Leitura adicional

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links externos