Sensores neurais sem fio em microescala habilitam sistema de interface cérebro-computador de última geração

Sensores neurais sem fio em microescala habilitam sistema de interface cérebro-computador de última geração

Neurograins

Minúsculos chips chamados neurograins são capazes de detectar a atividade elétrica no cérebro e transmitir esses dados sem fio. Crédito: Jihun Lee / Brown University

As interfaces cérebro-computador (BCIs) são dispositivos auxiliares emergentes que podem um dia ajudar pessoas com lesões cerebrais ou espinhais a se moverem ou se comunicarem. Os sistemas BCI dependem de sensores implantáveis ​​que gravam sinais elétricos no cérebro e usam esses sinais para acionar dispositivos externos como computadores ou próteses robóticas.

A maioria dos sistemas BCI atuais usa um ou dois sensores para amostrar até algumas centenas de neurônios, mas os neurocientistas estão interessados ​​em sistemas que são capazes de coletar dados de grupos muito maiores de células cerebrais.

Agora, uma equipe de pesquisadores deu um passo importante em direção a um novo conceito para um futuro sistema BCI – um que emprega uma rede coordenada de sensores neurais independentes em microescala sem fio, cada um do tamanho de um grão de sal, para registrar e estimular o cérebro atividade. Os sensores, chamados de “neurograins”, gravam de forma independente os pulsos elétricos feitos por neurônios em disparo e enviam os sinais sem fio para um hub central, que coordena e processa os sinais.

Em um estudo publicado em 12 de agosto de 2021, em Nature Electronics, a equipe de pesquisa demonstrou o uso de quase 50 desses neurograins autônomos para registrar a atividade neural em um roedor.

Os resultados, dizem os pesquisadores, são um passo em direção a um sistema que poderá um dia permitir o registro de sinais cerebrais com detalhes sem precedentes, levando a novos insights sobre como o cérebro funciona e novas terapias para pessoas com lesões cerebrais ou espinhais.

“Um dos grandes desafios no campo das interfaces cérebro-computador é criar maneiras de sondar o máximo possível de pontos no cérebro”, disse Arto Nurmikko, professor da Escola de Engenharia de Brown e autor sênior do estudo. “Até agora, a maioria dos BCIs eram dispositivos monolíticos – um pouco como pequenas camas de agulhas. A ideia de nossa equipe era quebrar esse monólito em minúsculos sensores que pudessem ser distribuídos pelo córtex cerebral. Isso é o que pudemos demonstrar aqui. ”

A equipe, que inclui especialistas de Brown, Baylor University, University of California em San Diego e Qualcomm, começou o trabalho de desenvolvimento do sistema há cerca de quatro anos. O desafio era duplo, disse Nurmikko, que é afiliado ao Carney Institute for Brain Science de Brown. A primeira parte exigia o encolhimento da eletrônica complexa envolvida na detecção, amplificação e transmissão de sinais neurais para os minúsculos chips de neurograin de silício. A equipe primeiro projetou e simulou a eletrônica em um computador e passou por várias iterações de fabricação para desenvolver chips operacionais.

O segundo desafio foi desenvolver o hub de comunicação externa do corpo que recebe sinais desses minúsculos chips. O dispositivo é um remendo fino, do tamanho de uma impressão digital, que se fixa ao couro cabeludo, fora do crânio. Funciona como uma torre de telefone celular em miniatura, empregando um protocolo de rede para coordenar os sinais dos neurônios, cada um com seu próprio endereço de rede. O patch também fornece energia sem fio para os neurônios, que são projetados para operar usando uma quantidade mínima de eletricidade.

“Este trabalho foi um verdadeiro desafio multidisciplinar”, disse Jihun Lee, pesquisador de pós-doutorado na Brown e principal autor do estudo. “Tivemos que reunir experiência em eletromagnetismo, comunicação de radiofrequência, projeto de circuitos, fabricação e neurociência para projetar e operar o sistema de neurograin.”

O objetivo deste novo estudo era demonstrar que o sistema poderia registrar sinais neurais de um cérebro vivo – neste caso, o cérebro de um roedor. A equipe colocou 48 neurograins no córtex cerebral do animal, a camada externa do cérebro, e registrou com sucesso sinais neurais característicos associados à atividade cerebral espontânea.

A equipe também testou a capacidade dos dispositivos de estimular o cérebro, bem como registrar a partir dele. A estimulação é feita com pequenos pulsos elétricos que podem ativar a atividade neural. A estimulação é conduzida pelo mesmo centro que coordena o registro neural e pode um dia restaurar a função cerebral perdida por doença ou lesão, esperam os pesquisadores.

O tamanho do cérebro do animal limitou a equipe a 48 neurograins para este estudo, mas os dados sugerem que a configuração atual do sistema poderia suportar até 770. Em última análise, a equipe prevê aumentar para muitos milhares de neurograins, o que forneceria uma imagem atualmente inatingível da atividade cerebral.

“Foi um esforço desafiador, já que o sistema exige transferência de energia sem fio simultânea e rede na taxa de megabits por segundo, e isso deve ser realizado sob uma área de silício extremamente restrita e restrições de energia”, disse Vincent Leung, um associado professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação de Baylor. “Nossa equipe forçou os limites para implantes neurais distribuídos.”

Há muito mais trabalho a ser feito para tornar esse sistema completo uma realidade, mas os pesquisadores disseram que este estudo representa um passo importante nessa direção.

“Nossa esperança é que possamos desenvolver um sistema que forneça novos insights científicos sobre o cérebro e novas terapias que possam ajudar as pessoas afetadas por lesões devastadoras”, disse Nurmikko.

Referência: “Gravação neural e estimulação usando redes sem fio de microimplantes” por Jihun Lee, Vincent Leung, Ah-Hyoung Lee, Jiannan Huang, Peter Asbeck, Patrick P. Mercier, Stephen Shellhammer, Lawrence Larson, Farah Laiwalla e Arto Nurmikko, 12 de agosto 2021, Nature Electronics.
DOI: 10.1038 / s41928-021-00631-8

Outros co-autores da pesquisa foram Ah-Hyoung Lee (Brown), Jiannan Huang (UCSD), Peter Asbeck (UCSD), Patrick P. Mercier (UCSD), Stephen Shellhammer (Qualcomm), Lawrence Larson (Brown) e Farah Laiwalla (Marrom). A pesquisa foi apoiada pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (N66001-17-C-4013).

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