Una nueva interfaz cerebro-computadora con respaldo flexible

Una nueva interfaz cerebro-computadora con respaldo flexible


19 de marzo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Los investigadores de ingeniería han inventado una avanzada interfaz cerebro-computadora con un respaldo flexible y maleable y microagujas penetrantes. Agregar un respaldo flexible a este tipo de interfaz cerebro-computadora permite que el dispositivo se adapte de manera más uniforme a la compleja superficie curva del cerebro y distribuya de manera más uniforme las microagujas que perforan la corteza.

Las microagujas, diez veces más delgadas que un cabello humano, sobresalen de la almohadilla flexible, penetran la superficie del tejido cerebral sin perforar las venas superficiales y registran las señales de las células nerviosas cercanas de manera uniforme en una amplia área de la corteza cerebral.

Esta novedosa interfaz cerebro-computadora ha sido probada hasta ahora en roedores.

Los detalles fueron publicados en la revista. Materiales funcionales avanzados («Arreglos escalables de microagujas penetrantes de mil canales en Flex para interfaces BrainMachine multimodales y a gran escala»). Este trabajo está siendo dirigido por un equipo en el laboratorio del profesor de ingeniería eléctrica de la Universidad de California en San Diego, Shadi Dayeh, junto con investigadores de la Universidad de Boston dirigidos por la profesora de ingeniería biomédica Anna Devor. interfaz cerebro-computadora flexible con microagujas penetrantes Representación artística del respaldo flexible, conformable y transparente de la nueva interfaz cerebro-computadora con microagujas penetrantes desarrolladas por un equipo dirigido por ingenieros de la Universidad de California en San Diego en el laboratorio del profesor de ingeniería eléctrica Shadi Dayeh. (Imagen: Shadi Dayeh / UC San Diego / SayoStudio)

Esta nueva interfaz cerebro-computadora coincide y supera el estándar de oro existente para las interfaces cerebro-computadora que utilizan microagujas penetrantes, Utah Array. Se ha demostrado que Utah Array ayuda a las víctimas de accidentes cerebrovasculares y a las personas con lesiones de la médula espinal. Las personas con Utah Arrays implantados pueden usar sus mentes para controlar extremidades robóticas y otros dispositivos para recrear algunas actividades cotidianas, como objetos en movimiento.

La parte posterior de la nueva interfaz cerebro-computadora es flexible, adaptable y reconfigurable, mientras que el Utah Array tiene una parte posterior dura e inflexible. La flexibilidad y adaptabilidad de la parte posterior de la nueva matriz de microagujas favorece un contacto más cercano entre el cerebro y los electrodos, lo que permite un registro mejor y más consistente de las señales de actividad cerebral. Trabajando con roedores como especie modelo, los investigadores demostraron grabaciones de banda ancha estables que produjeron señales sólidas durante la duración del implante, que duró 196 días.

Además, la forma en que se fabrican las interfaces cerebro-computadora de respaldo suave permite áreas de detección más grandes, lo que significa que se puede monitorear un área significativamente más grande de la superficie del cerebro simultáneamente.

Haciendo Materiales funcionales avanzados En su artículo, los investigadores muestran que una matriz de microagujas penetrantes con 1024 microagujas registró con éxito señales desencadenadas por estímulos precisos del cerebro de la rata. Esto equivale a 10 veces más microagujas y 10 veces más cobertura cerebral en comparación con las tecnologías actuales.

Dorsos más finos y transparentes.

Estas interfaces cerebro-computadora de respaldo suave son más delgadas y livianas que las tradicionales de vidrio de este tipo de interfaces cerebro-computadora. Los investigadores señalan en su Materiales funcionales avanzados El papel con respaldos livianos y flexibles puede reducir la irritación del tejido cerebral que entra en contacto con los conjuntos de sensores.

Los portadores flexibles también son transparentes. En el nuevo artículo, los investigadores muestran que esta transparencia se puede utilizar para realizar investigaciones neurocientíficas fundamentales utilizando modelos animales que de otro modo no serían posibles. Por ejemplo, el equipo demostró el registro eléctrico simultáneo de matrices de microagujas penetrantes y fotoestimulación optogenética.

Producción litográfica a dos caras

La flexibilidad, las huellas de matriz de microagujas más grandes, la reconfigurabilidad y la transparencia de la parte posterior de los nuevos sensores cerebrales se deben al enfoque de litografía de doble cara que utilizaron los investigadores.

Conceptualmente, comenzando con una oblea rígida de silicio, el proceso de fabricación del equipo les permite construir circuitos y dispositivos microscópicos a ambos lados de la oblea rígida de silicio. Se aplica una película transparente y flexible a la oblea de silicio en un lado. Una doble capa de trazos de titanio y oro está incrustada en esta película para que los trazos estén alineados con el lugar donde se harán las agujas en el otro lado de la oblea de silicio.

Trabajando desde el otro lado, después de agregar la película flexible, todo el silicio se graba, excepto los pilares de silicio delgados y puntiagudos independientes. Estos pilares puntiagudos de silicio son en realidad las microagujas, y sus bases se alinean con los rastros de titanio y oro dentro de la capa flexible que queda después de que se graba el silicio.

Estas líneas conductoras de titanio y oro están modeladas a través de técnicas de microfabricación estandarizadas y escalables, lo que permite una producción escalable con un trabajo manual mínimo. El proceso de fabricación ofrece la posibilidad de un diseño de matriz flexible y escalabilidad a decenas de miles de microagujas.

Hacia sistemas de circuito cerrado

Mirando hacia el futuro, se necesitan conjuntos de microagujas penetrantes con una gran cobertura espacial para mejorar las interfaces cerebro-máquina hasta el punto en que puedan usarse en «sistemas de circuito cerrado» que puedan ayudar a las personas con movilidad severamente limitada. Por ejemplo, un sistema de circuito cerrado de este tipo podría proporcionar a una persona que usa una mano robótica información táctica en tiempo real sobre los objetos que está agarrando la mano robótica.

Los sensores táctiles en la mano robótica detectarían la dureza, la textura y el peso de un objeto. Esta información registrada por los sensores se traduciría en patrones de estimulación eléctrica que viajan a través de cables fuera del cuerpo hasta la interfaz cerebro-computadora con microagujas penetrantes.

Estas señales eléctricas proporcionarían información directamente al cerebro de la persona sobre la dureza, textura y peso del objeto. La persona, a su vez, ajustaría su fuerza de agarre en función de la información capturada directamente del brazo robótico.

Este es solo un ejemplo de un sistema cerrado que podría ser posible una vez que las matrices de microagujas penetrantes puedan hacerse más grandes para adaptarse al cerebro y coordinar la actividad en los centros de «comando» y «retroalimentación» del cerebro.



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