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Sensores neuronales inalámbricos diminutos

Los sensores neuronales del tamaño de una mota de polvo, traducción de Neural Dust Sensor, también llamados por tanto polvo neural o mota de polvo neuronal es un término usado para referirse a dispositivos del tamaño de un milímetro operados como sensores nerviosos con alimentación inalámbrica. Estos sensores se pueden usar para estudiar, monitorear o controlar los nervios y los músculos y para controlar 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 del Smart Dust, ”polvo inteligente”, ya que los sensores utilizados como polvo neuronal también pueden definirse por este concepto.

En 2016, los ingenieros de la Universidad de California, Berkeley, demostraron los primeros sensores de polvo neuronal ultrasónicos implantados, acercándose el día en que un dispositivo parecido a Fitbit podría monitorear los nervios internos, los músculos u órganos en tiempo real. Ahora, los ingenieros de Berkeley han llevado el polvo neuronal un paso adelante al construir el estimulador de nervio inalámbrico más pequeño y más eficiente hasta la fecha.

Los nuevos sensores neuronales inalámbricos más pequeños y eficientes

El dispositivo, llamado StimDust, abreviatura de estimular el polvo neuronal, agrega productos electrónicos más sofisticados al polvo neuronal sin sacrificar el pequeño tamaño o la seguridad de la tecnología, ampliando enormemente la gama de aplicaciones del polvo neuronal.

El objetivo de los investigadores es hacer que StimDust se implante en el cuerpo a través de procedimientos mínimamente invasivos para controlar y tratar la enfermedad en un enfoque específico del paciente en tiempo real.

StimDust tiene solo 6.5 milímetros cúbicos de volumen y se alimenta de forma inalámbrica por ultrasonido, que luego el dispositivo utiliza para potenciar la estimulación nerviosa con una eficiencia del 82 por ciento.

“StimDust es el estimulador de tejidos profundos más pequeño que conocemos capaz de estimular a casi todos los objetivos terapéuticos principales en el sistema nervioso periférico”, dijo Rikky Muller, codirector del trabajo y profesor asistente de ingeniería eléctrica y computadora. ciencias en Berkeley. “Este dispositivo representa nuestra visión de tener dispositivos pequeños que se pueden implantar de manera mínimamente invasiva para modular o estimular el sistema nervioso periférico, que ha demostrado ser eficaz en el tratamiento de varias enfermedades”.

La creación de polvo neuronal en Berkeley, dirigido por Maharbiz y José Carmena, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias informáticas en Berkeley y miembro del Instituto de Neurociencia Helen Wills, ha abierto la puerta para la comunicación inalámbrica con el cerebro y el sistema nervioso periférico a través de minúsculas dispositivos implantables dentro del cuerpo que son alimentados por ultrasonido. Los equipos de ingeniería de todo el mundo están utilizando la plataforma de polvo neuronal para construir dispositivos que pueden cargarse de forma inalámbrica por ultrasonido.

A Maharbiz se le ocurrió la idea de usar ultrasonido para alimentar y comunicarse con implantes muy pequeños. Junto con los profesores de Berkeley Elad Alon y Jan Rabaey, el grupo desarrolló el marco técnico para demostrar el poder de escalamiento del ultrasonido para dispositivos implantables.

StimDust tiene un orden de magnitud más pequeño que cualquier dispositivo activo con capacidades similares que el equipo de investigación conozca.

Los componentes de StimDust incluyen un solo piezocrystal, que es la antena del sistema, un circuito integrado de 1 milímetro y un condensador de almacenamiento de carga.

StimDust tiene electrodos en la parte inferior, que hacen contacto con un nervio a través de un manguito que envuelve el nervio. Además del dispositivo, el equipo de Muller diseñó un protocolo inalámbrico personalizado que les brinda una amplia gama de programabilidad al tiempo que mantiene la eficiencia. Todo el dispositivo funciona con solo 4 microvatios y tiene una masa de 10 miligramos.

Un esquema que detalla los componentes de StimDust, que incluye un solo piezocrystal, que es la antena del sistema, un circuito integrado de 1 milímetro y un condensador de almacenamiento de carga (Imagen cortesía de Rikky Muller)

Después de probar StimDust en la mesa de trabajo, el equipo de investigación lo implantó en un roedor vivo para probarlo en un entorno realista. A través de un manguito alrededor del nervio ciático, el equipo de investigación pudo controlar el movimiento de las patas traseras, registrar la actividad de estimulación y medir cuánta fuerza se ejerció sobre el músculo de la pata trasera cuando se estimuló. Luego, los investigadores aumentaron gradualmente la estimulación y mapearon la respuesta del músculo de la pata trasera para poder saber exactamente cuánta estimulación se necesitaba para un reclutamiento muscular deseado, un tipo de análisis sofisticado requerido de dispositivos médicos.

Fuente: Berkeley