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Dispositivos médicos implantáveis convencionais projetados para estimulação cerebral são muitas vezes muito rígidos e volumosos para o que é um dos tecidos mais macios e delicados do corpo.
Para resolver o problema, os engenheiros da Rice University desenvolveram nanoeletrodos minimamente invasivos e ultraflexíveis que podem servir como uma plataforma implantada para administrar terapia de estimulação de alta resolução e longo prazo.
De acordo com um estudo publicado na Relatórios de Células, os minúsculos dispositivos implantáveis formaram interfaces tecido-eletrodo estáveis, duradouras e sem costuras, com cicatrizes ou degradação mínimas em roedores. Os dispositivos forneceram pulsos elétricos que correspondem aos padrões e amplitudes de sinalização neuronal mais de perto do que os estímulos de eletrodos intracorticais convencionais.
A alta biocompatibilidade dos dispositivos e o controle preciso do estímulo espaço-temporal podem permitir o desenvolvimento de novas terapias de estimulação cerebral, como próteses neuronais para pacientes com funções sensoriais ou motoras prejudicadas.
“Este artigo usa técnicas de imagem, comportamentais e histológicas para mostrar como esses eletrodos integrados ao tecido melhoram a eficácia da estimulação”, disse Lan Luan, professor assistente de engenharia elétrica e de computação e autor correspondente do estudo. “Nosso eletrodo fornece pequenos pulsos elétricos para excitar a atividade neural de uma maneira muito controlável.
“Fomos capazes de reduzir a corrente necessária para provocar a ativação neuronal em mais de uma ordem de magnitude. Os pulsos podem ser tão sutis quanto algumas centenas de microssegundos de duração e um ou dois microamperes de amplitude.”
O novo design de eletrodo desenvolvido por pesquisadores da Rice Neuroengineering Initiative representa uma melhoria significativa em relação aos eletrodos implantáveis convencionais usados para tratar condições como doença de Parkinson, epilepsia e transtorno obsessivo-compulsivo, que podem causar respostas teciduais adversas e alterações não intencionais na atividade neural.
“Eletrodos convencionais são muito invasivos”, disse Chong Xie, professor associado de engenharia elétrica e de computação e autor correspondente do estudo. “Eles recrutam milhares ou até milhões de neurônios por vez.
“Cada um desses neurônios deve ter sua própria sintonia e coordenação em um padrão específico. Mas quando você os aplica ao mesmo tempo, basicamente interrompe sua função. Em alguns casos, isso funciona bem para você e tem o efeito desejado efeito terapêutico. Mas se, por exemplo, você deseja codificar informações sensoriais, precisa de um controle muito maior sobre os estímulos.”
Xie comparou a estimulação por meio de eletrodos convencionais com o efeito perturbador de “soprar uma buzina no ouvido de todos ou ter um alto-falante tocando” em uma sala cheia de pessoas.
“Costumávamos ter um alto-falante muito grande e agora todo mundo tem um fone de ouvido”, disse ele.
A capacidade de ajustar a frequência, duração e intensidade dos sinais pode permitir o desenvolvimento de novos dispositivos protéticos sensoriais.
“A ativação dos neurônios é mais difusa se você usar uma corrente maior”, disse Luan. “Conseguimos reduzir a corrente e mostramos que temos uma ativação muito mais focada. Isso pode se traduzir em dispositivos de estimulação de maior resolução.”
Luan e Xie são membros centrais da Rice Neuroengineering Initiative e seus laboratórios também estão colaborando no desenvolvimento de uma prótese visual implantável para pacientes cegos.
“Imagine um dia ser capaz de implantar arranjos de eletrodos para restaurar a função sensorial prejudicada: quanto mais focada e deliberada for a ativação dos neurônios, mais precisa será a sensação que você está gerando”, disse Luan.
Uma iteração anterior dos dispositivos foi usada para registrar a atividade cerebral.
“Tivemos uma série de publicações mostrando que essa integração de tecidos íntimos possibilitada pelo design ultraflexível de nosso eletrodo realmente melhora nossa capacidade de registrar a atividade cerebral por períodos mais longos e com melhores relações sinal-ruído”, disse Luan, que foi promovido a associado professor a partir de 1º de julho.
O associado de pós-doutorado em engenharia elétrica e de computação Roy Lycke e o estudante de pós-graduação Robin Kim são os principais autores do estudo.
O Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e Derrame (R01NS109361, U01 NS115588) e os fundos internos de Rice apoiaram a pesquisa.
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