Desde mejorar la movilidad y la función motora hasta mejorar las capacidades sensoriales, las interfaces cerebro-computadora (BCI) pueden ampliar nuestras capacidades humanas al permitir una comunicación fluida, mejorar las funciones cognitivas y acelerar el desarrollo de tratamientos médicos. Sin embargo, las limitaciones fundamentales actuales con tecnologías invasivas y no invasivas sugieren que para que la BCI de grado de consumidor se vuelva ubicua, se necesitan desarrollar y validar nuevas tecnologías.
Para realizar todo el potencial de BCI, necesitamos un sistema que 1) transmita datos de forma inalámbrica, 2) no dependa de una instalación quirúrgica, 3) mantenga el contacto proximal entre el tejido nervioso y el material requerido para una transferencia eficiente de energía e información, y 4) pueda tanto estimular como registrar la actividad neural (o capacidades bidireccionales). Para cerrar la brecha entre las tecnologías invasivas y no invasivas, los materiales a escala nanométrica, como las nanopartículas biocompatibles, ofrecen una alternativa prometedora, lo que nos permite diseñar materiales a la escala de sistemas y estructuras celulares.
Nanopartículas: Un enfoque novedoso para BCI
El uso de nanomateriales, como polímeros conductores o grafeno, para mejorar los electrodos implantados ha sido el foco de extensas investigaciones, pero en última instancia, estos materiales aún deben ingresar al cerebro quirúrgicamente. Para que una tecnología acceda al tejido cerebral con la mínima intervención posible, se deben diseñar componentes a la escala de las propias células.
Debido a su pequeño tamaño (<100 nm), las nanopartículas son capaces de interactuar íntimamente con el tejido nervioso y pueden ingresar al cerebro a través de vías mínimamente invasivas, incluidas las vías intravenosa e intranasal a través de la barrera hematoencefálica. Las nanopartículas también son susceptibles al diseño multifacético. Las partículas mismas son lo suficientemente grandes como para tener propiedades materiales intrínsecas más allá de su composición química primaria, como el efecto piezoeléctrico, pero son lo suficientemente pequeñas como para su funcionalización superficial con moléculas pequeñas o biomoléculas que jueguen un rol significativo en su comportamiento en los sistemas biológicos. Estas propiedades permiten el diseño racional de nanoantenas que pueden intermedias señales dentro y fuera del cerebro y construir tecnologías que sirvan como base para las futuras generaciones de BCI.
Modulación neural con nanopartículas
Utilizar nanopartículas como antenas en el cerebro es un concepto que ha gozado de un extenso estudio en laboratorios académicos durante los últimos 15 años. La gran mayoría de este trabajo se ha centrado en utilizar nanopartículas para la neuromodulación. Si bien se han obtenido algunos resultados utilizando ultrasonido o luz para estimular estas partículas, abrumadoramente el tipo de señal preferido, dado su relativamente alta transparencia tisular, ha sido el magnético. Ha habido resultados tempranos enfocados en mecanismos magnetotérmicos o magnetomecánicos para excitar neuronas, pero los resultados más prometedores se han obtenido con nanopartículas magnetoelectricas. Estos materiales convierten un campo magnético general en un campo eléctrico altamente localizado que, a su vez, puede activar neuronas y proporcionar así una plataforma prometedora para la estimulación terapéutica y, en última instancia, la transmisión de información de alta fidelidad al cerebro.
Las nanopartículas magnetoelectricas funcionan mediante un diseño de núcleo-cáscara de múltiples capas, que consiste en un núcleo magnetorestrictivo cubierto con una cáscara piezoeléctrica. En presencia de un campo magnético, el núcleo se deforma, lo que a su vez deforma la cáscara y crea un campo eléctrico local a través del efecto piezoeléctrico. La eficiencia de este efecto puede ajustarse cambiando el tamaño, la forma, la composición y el acoplamiento de capas de las partículas.
Varios grupos ya han introducido estos materiales en los cerebros de ratones y primates. Kozielski y Anikeeva han demostrado estimulación profunda del cerebro en ratones silvestres en pruebas de rueda giratoria, tres cámaras y rotación, con resultados comparables a electrodos implantados y perfiles de biosalud mejores. Khizroev y Kaushik han demostrado la capacidad de estas partículas para ingresar al cerebro a través de la barrera hematoencefálica o intranasal y localizarse en el cerebro con campos magnéticos aplicados.
Cada uno de estos estudios ha demostrado la biocompatibilidad de estos materiales in vitro e in vivo. Por lo tanto, todos los componentes de nuestro sistema ideal están contemplados; las nanopartículas magnetoelectricas pueden ingresar al cerebro sin cirugía, localizarse y estimular áreas críticas de manera segura y eficiente. Lo que queda por hacer para demostrar el concepto es optimizar aún más la eficiencia del efecto magnetoelectrico y la interacción biológica de estos materiales. Todas las piezas están presentes, por lo que el momento es ahora adecuado para comenzar la investigación translacional para llevar estos materiales a la BCI y a la medicina bioelectrónica más amplia.
Lectura neural con nanopartículas
De importancia primordial en los criterios de diseño está la bidireccionalidad de los futuros sistemas de BCI. Esto se puede lograr con matrices de electrodos implantados, pero es difícil de implementar con sistemas totalmente no invasivos. Con nanopartículas, la estimulación neural es más sencilla que la lectura neural dado que se utiliza una señal alimentada externamente. Para la lectura neural, los métodos de detección de señal deben ser extremadamente precisos o las partículas deben ser alimentadas in situ para una transducción eficiente de la señal. Esto plantea desafíos de diseño significativos, por lo que el campo es menos maduro, pero se han publicado algunos trabajos teóricos intrigantes que piden un mayor desarrollo.
Debido a las limitaciones energéticas mencionadas anteriormente, el mecanismo de transducción de señal para la lectura neural con nanopartículas debe tener una interferencia de fondo muy baja. Desde un punto de vista práctico, entonces, los candidatos más prometedores son los campos magnéticos y la luz infrarroja cercana.
Desde la perspectiva de la transducción de señal magnética, la imagen de partículas magnéticas (MPI) es una técnica que utiliza propiedades de magnetización no lineales de nanopartículas de óxido de hierro superparamagnéticas para imaginar el tejido neuronal dinámicamente, incluida la lesión neuronal y el flujo sanguíneo.
Con nanopartículas magnetoelectricas, MPI podría imaginar la actividad neural directamente a través de un mecanismo inverso al utilizado para la estimulación neural: los cambios en los campos eléctricos locales a partir de la actividad neuronal cambian la forma y, por lo tanto, las propiedades magnéticas de las partículas. El potencial de estos materiales para funcionar de esta manera con actividad eléctrica neural realista ha sido confirmado en simulación por los grupos Khizroev y Hai, pero aún no se ha realizado experimentalmente. Estos son resultados teóricos prometedores y, con validación in vitro e in vivo, y la miniaturización de la tecnología MPI, las nanopartículas magnetoelectricas podrían servir como antenas de un solo componente para BCI bidireccional.
La otra opción para la transparencia tisular es la luz infrarroja cercana. La luz infrarroja cercana se utiliza para monitorear la actividad neural en la espectroscopia de infrarrojo cercano funcional (fNIRs) mediante la medición de la actividad hemodinámica a través de la absorción de hemoglobina. La limitación principal de esta técnica es su falta de resolución temporal debido a la dependencia del movimiento de fluidos. El uso de la luz para leer la actividad neural directamente se ha explorado como parte de la optogenética, un campo que ha revolucionado nuestra comprensión de la función cerebral y neuronal, pero como tecnología de BCI translacional está limitado por la necesidad de modificación genética del sujeto.
Una vez más, las nanopartículas pueden proporcionar el camino para realizar una forma más rápida de imágenes de actividad neural de NIR. Los primeros trabajos en este campo se centraron en puntos cuánticos electrocrómicos, pero las preocupaciones sobre la relación señal-ruido y la toxicidad del material han limitado este enfoque. Utilizando nanopartículas plasmónicas de oro/PEDOT: PSS, el grupo Yanik ha demostrado, en simulación, que se puede obtener una respuesta electrocrómica en la región NIR-II (1000-1700 nm) en la que el tejido tiene la suficiente transparencia para la imagen cortical.
Este mecanismo se basa en la dispersión plasmónica electrocrómica y, por lo tanto, es alimentado externamente. Si bien estos resultados, hasta la fecha, son in silico, el grupo ha demostrado un efecto comparable en superficies de oro/PEDOT: PSS, lo que permitió el mapeo subcelular de la actividad eléctrica de los cardiomiocitos. Dado dos posibles vías para registrar la actividad neural con nanopartículas, el éxito experimental en este campo podría ayudar a dar paso a una nueva era en BCI.
El futuro de la tecnología de nanopartículas en BCI
No hay duda de que en los próximos 5-10 años, seremos testigos de un número cada vez mayor de ejemplos de cómo BCI y tecnologías relacionadas pueden transformar la forma en que vivimos. Cada mes trae consigo nuevos pacientes con BCI implantados y sus historias de habilidades restauradas y calidad de vida e independencia mejoradas. Para enfoques no invasivos, se están desarrollando continuamente nuevas aplicaciones para EEG y fNIRs que nos ayudarán a optimizar nuestra salud y detectar y diagnosticar enfermedades de manera más temprana.
Sin embargo, más allá de este horizonte temporal, la adopción más amplia de BCI requerirá avances fundamentales en sus mecanismos fundamentales y el desarrollo de tecnologías que proporcionen una transmisión de información de alta fidelidad entre la mente y la máquina con una instalación limitada. Las nanopartículas pueden ser instrumentales para realizar este futuro y llevar las posibilidades ilimitadas de BCI a la vida cotidiana.
Crédito de la foto: DrAfter123, Getty Images
Alexandra Karpman es la Jefa de Producto en Subsense, con más de 11 años de experiencia en el desarrollo de interfaces cerebro-computadora (BCI) y 6 años en gestión de productos biomédicos. Posee una maestría en Neurociencia, enfocada en neurorehabilitación y restauración de la discapacidad motora después de un accidente cerebrovascular. Alexandra comenzó su carrera como neurocientífica en startups desarrollando productos para industrias como la farmacéutica, bancaria y de marketing. En 2022, Alexandra se unió a Subsense como Jefa de Neurociencia, ayudando a dar forma a la visión de la empresa, el plan de trabajo y el consejo asesor científico. Un año después, como Jefa de Producto, estableció asociaciones con expertos de instituciones como UCSC, Harvard, Stanford y ETH Zurich desde cero y aseguró financiamiento inicial, impulsando el crecimiento de Subsense. Su experiencia abarca la visión del producto, la estrategia de mercado y la gestión de equipos interfuncionales. En Subsense, Alexandra aplica su profunda experiencia en BCI, atención médica y startups para avanzar en las tecnologías de interfaces cerebro-computadora no quirúrgicas.
Dr. Scott Meek es el Jefe de I+D en Subsense y ha pasado los últimos 20 años desarrollando nuevos materiales y sensores en la academia, laboratorios gubernamentales y startups de biotecnología. Después de obtener una Licenciatura en Química en el Dartmouth College, el Dr. Meek completó su doctorado en Química Orgánica en el MIT en el grupo de investigación de Tim Swager. Su investigación doctoral se centró en el diseño y síntesis de una nueva clase de sondas fluorescentes de infrarrojo cercano para detectar placas beta-amiloideas. Pasó a los Laboratorios Nacionales Sandia como becario postdoctoral, donde desarrolló nuevos materiales nanoporosos para aplicaciones de detección de gas y radiación. En Subsense, está encantado de reunir toda su experiencia en química, ciencia de materiales, dispositivos médicos multicomponentes y desarrollo de productos para construir el biosensor definitivo.
Dr. Uri Magaram es un Científico de Aplicaciones Experimentales en Subsense, enfocado en el desarrollo de interfaces cerebro-computadora no invasivas basadas en nanopartículas. Obtuvo su Licenciatura en Ciencia e Ingeniería Integradas de Northwestern University, donde realizó investigaciones de electrofisiología in vivo y en rodajas en peces cebra y ratones bajo la supervisión de los Drs. Indira Raman y David McLean. Esta experiencia profundizó su pasión por la neurociencia, lo que lo llevó a seguir un Doctorado en Neurociencias en la Universidad de California, San Diego, en el laboratorio del Dr. Sreekanth Chalasani. En el Instituto Salk de Estudios Biológicos, el Dr. Magaram avanzó en la sonogenética, una técnica que combina ultrasonido e ingeniería genética para controlar circuitos neuronales, a través de investigaciones exhaustivas desde la ingeniería de materiales hasta experimentos in vivo en C. elegans y ratones. Co-fundó SonoBac, con el objetivo de mejorar la biomanufactura a través de la sonogenética, y se desempeñó como Director Científico durante dos años antes de unirse a Subsense para continuar su compromiso con la neurotecnología e investigación cerebral.
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