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Compreender a interface neural dentro do cérebro é fundamental para entender o envelhecimento, o aprendizado, a progressão da doença e muito mais. Os métodos existentes para estudar neurônios em cérebros de animais para entender melhor os cérebros humanos, no entanto, todos carregam limitações, desde serem muito invasivos até não detectarem informações suficientes. Um dispositivo de eletrodo pop-up recém-desenvolvido poderia coletar informações mais detalhadas sobre neurônios individuais e suas interações entre si, limitando o potencial de dano ao tecido cerebral.
Os pesquisadores, co-liderados por Huanyu “Larry” Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Professor Associado de Ciências da Engenharia e Mecânica na Faculdade de Engenharia, publicaram seus resultados em npj Eletrônica Flexível.
“É um desafio entender a conectividade entre o grande número de células neuronais no cérebro”, disse Cheng. “No passado, as pessoas desenvolveram um dispositivo que é colocado diretamente no córtex para detectar informações na camada superficial, que é menos invasiva. Mas sem inserir o dispositivo no cérebro, é um desafio detectar as informações intercorticais”.
Em resposta a essa limitação, os pesquisadores desenvolveram eletrodos baseados em sondas que são inseridos no cérebro. O problema com esse método é que não é possível obter um layout 3D dos neurônios e do cérebro sem fazer várias sondas, que são difíceis de colocar em uma superfície flexível e seriam muito prejudiciais ao tecido cerebral.
“Para resolver esse problema, usamos o design pop-up”, disse Cheng. “Podemos fabricar os eletrodos do sensor com resolução e desempenho comparáveis com a fabricação existente. Mas, ao mesmo tempo, podemos colocá-los na geometria 3D antes de serem inseridos no cérebro. Eles são semelhantes aos livros pop-up infantis : você tem a forma plana e, em seguida, aplica a força compressiva. Ela transforma o 2D em 3D. Ele fornece um dispositivo 3D com desempenho comparável ao 2D.”
Os pesquisadores disseram que, além do design exclusivo que surge em três dimensões após ser inserido no cérebro, o dispositivo também usa uma combinação de materiais que não haviam sido usados dessa maneira antes. Especificamente, eles usaram polietileno glicol, um material que já foi usado antes, como um revestimento biocompatível para criar rigidez, o que não é um propósito para o qual foi usado anteriormente.
“Para inserir o dispositivo no cérebro, ele precisa ser rígido, mas depois que o dispositivo está no cérebro, ele precisa ser flexível”, disse o co-autor Ki Jun Yu, da Universidade Yonsei, na República da Coreia. “Portanto, usamos um revestimento biodegradável que fornece uma camada externa rígida ao dispositivo. Uma vez que o dispositivo está no cérebro, esse revestimento rígido se dissolve, restaurando a flexibilidade inicial. Juntando a estrutura do material e a geometria deste dispositivo, vamos ser capaz de obter informações do cérebro para estudar a conectividade do neurônio 3D.”
Os próximos passos da pesquisa incluem a iteração do design para torná-lo benéfico não apenas para obter uma melhor compreensão do cérebro, mas também para cirurgias e tratamentos de doenças.
“Além de estudos em animais, algumas aplicações do uso do dispositivo podem ser operações ou tratamentos para doenças em que você pode não precisar retirar o dispositivo, mas certamente deseja garantir que o dispositivo seja biocompatível por um longo período de tempo. “, disse Cheng. “É benéfico projetar a estrutura o mais pequena, macia e porosa possível para que o tecido cerebral possa penetrar e poder usar o dispositivo como um andaime para crescer em cima disso, levando a uma recuperação muito melhor. Nós também gostaria de usar material biodegradável que pode ser dissolvido após o uso.”
Os outros colaboradores são: Ju Young Lee, Sang Hoon Park, Yujin Kim, Young Uk Cho, Jaejin Park, Jung-Hoon Hong, Kyubeen Kim, Jongwoon Shin, Jeong Eun Ju, In Sik Min e Mingyu Sang da Universidade Yonsei na República da Coreia; Hyogeun Shin, Ui-Jin Jeong, Aizhan Zhumbayeva, Kyung Yeun Kim, Eun-Bin Hong, Min-Ho Nam, Hojeong Jeon e Youngmee Jung do Instituto de Ciência e Tecnologia da Coreia na República da Coreia; Il-Joo Cho da Korea University na República da Coreia; e Yuyan Gao e Bowen Li do Departamento de Engenharia e Mecânica da Penn State.
A Nation Research Foundation of Korea e os National Institutes of Health financiaram esta pesquisa.
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