HOUSTON – (17 de julio de 2024) – El ingeniero neuronal de la Universidad Rice, Chong Xie, y su equipo han ganado una subvención R01 de $2.9 millones del Instituto Nacional de Salud para desarrollar un sistema de electrodos neuronales implantables de vanguardia que sea altamente biocompatible, sin cables y capaz de grabación y estimulación neuronal estable, a largo plazo y a gran escala.
“Nuestro objetivo es avanzar significativamente en la comprensión de los circuitos neuronales proporcionando una herramienta que pueda integrarse a la perfección con el tejido neuronal, registrar a resolución celular y milisegundos y mantener la funcionalidad durante largos períodos”, dijo Xie, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y bioingeniería y miembro de la Iniciativa de Neuroingeniería de Rice.
El proyecto se basa en trabajos anteriores en el Laboratorio de Interfaz Neuronal a Nanoescala de Xie en Rice, que ha sido pionero en el desarrollo de sondas de hilo nanoelectrónico (NET) ultraflexibles. Los NET pueden tener un grosor de solo 1 micrómetro y ser muy flexibles, lo que los hace altamente compatibles con el tejido neuronal. La investigación previa ha demostrado que los NET no produjeron daño tisular u cicatrización observable y que son capaces de rastrear poblaciones de neuronas en los cerebros de ratones y ratas durante muchos meses.
“Los electrodos neuronales han sido una herramienta muy poderosa en la investigación en neurociencia, y recientemente también se han vuelto más útiles en aplicaciones clínicas”, dijo Xie. “Hace una década, los electrodos neuronales eran bastante invasivos. Usando una combinación de material y estructura, desarrollamos un dispositivo que se lleva bien con el tejido nervioso y funciona de manera muy robusta”.
En los últimos años, Xie y su equipo han trabajado para optimizar los NET y han aplicado los dispositivos en muchos modelos animales diferentes, mostrando su utilidad potencial en una amplia gama de proyectos, incluida la recuperación de accidentes cerebrovasculares, el envejecimiento, la medicina regenerativa, la visión, la memoria y el aprendizaje, así como la investigación de la médula espinal.
Ahora, los investigadores tienen como objetivo mejorar la resolución de la sonda aumentando la densidad de las neuronas muestreadas.
“Las neuronas están muy densamente empaquetadas en el cerebro, y esa densidad es bastante uniforme en toda la corteza”, dijo Xie. “Dentro del tejido cerebral, si te desplazas 20-30 micrómetros en cualquier dirección, te encuentras con una neurona. Con nuestros NET iniciales, no teníamos más de 64 canales a lo largo de una distancia de pocos milímetros. Hay 1.000 micrómetros en 1 milímetro, por lo que pudimos interactuar con muchas menos neuronas en esas profundidades de lo que nos gustaría, que es registrar o interactuar con cada neurona en la distancia, cada neurona que podemos tocar con este dispositivo”.
Entre los factores limitantes más importantes para mejorar el sistema de la sonda se encuentran la resolución de fabricación y el dispositivo posterior que amplifica y digitaliza las señales recolectadas por los NET. Para abordar lo primero, los investigadores recopilaron datos preliminares sobre un nuevo método de fabricación: la litografía por haz de electrones.
“Usamos rayos de electrones para definir las características que tenemos en estos dispositivos”, dijo Xie. “Eso nos permite ir mucho más alto en términos de resolución espacial. Básicamente, en lugar de escribir 10 líneas, ahora podemos escribir más de 100 líneas, para poder empaquetar más de 10 veces más canales dentro del mismo tamaño de dispositivo. Eso nos permitirá mejorar drásticamente la capacidad de grabación y simulación”.
Además de optimizar las sondas, Xie y sus colaboradores trabajarán en la integración de los NET con la electrónica implantable y evaluarán su rendimiento con el tiempo. Para abordar los desafíos posteriores, el equipo desarrollará un circuito integrado específico para la aplicación, o chip ASIC, así como sistemas para la transferencia inalámbrica de energía y la transmisión de datos, lo que permitirá un funcionamiento completamente sin cables de los dispositivos de grabación neuronal.
Otro objetivo del proyecto es recopilar un conjunto de datos de grabación neuronal integral y realizar una caracterización exhaustiva, rastreando las mismas poblaciones neuronales para delinear los cambios en la actividad neuronal que ocurren debido a causas biofísicas o circuitos.
“Este esfuerzo tiene como objetivo mejorar nuestra comprensión de la electrofisiología crónica y allanar el camino para aplicaciones poderosas de electrodos neuronales estables a gran escala en neurociencia”, dijo Xie.
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Este comunicado de prensa se puede encontrar en línea en news.rice.edu.
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Información sobre la subvención:
Título: “Una estrategia nanoelectrónica para la grabación neuronal crónica confiable a gran escala”
Número de subvención: 2R01NS102917-06
Descargas de imágenes:
PIE DE FOTO: El neurocientífico de la Universidad Rice, Chong Xie, dirige un equipo que ha ganado una subvención de $2.9 millones del NIH para desarrollar un sistema de electrodos neuronales implantables de vanguardia. (Foto de Jeff Fitlow/Universidad Rice)
PIE DE FOTO: Los NET pueden tener un grosor de solo 1 micrómetro y ser muy flexibles, lo que los hace altamente compatibles con el tejido neuronal. (Foto de Jeff Fitlow/Universidad Rice)
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Acerca de Rice:
Ubicada en un campus boscoso de 300 acres en Houston, la Universidad Rice se ubica constantemente entre las 20 mejores universidades del país según U.S. News & World Report. Rice tiene escuelas altamente respetadas de arquitectura, negocios, estudios continuos, ingeniería, humanidades, música, ciencias naturales y ciencias sociales y alberga el Instituto Baker de Política Pública. Con 4,574 estudiantes de pregrado y 3,982 estudiantes de posgrado, la proporción de estudiantes de pregrado a profesores de Rice es de poco menos de 6 a 1. Su sistema de colegios residenciales crea comunidades estrechamente unidas y amistades para toda la vida, solo una razón por la que Rice se ubica en el puesto número 1 para mucha interacción entre razas y clases, número 2 para las mejores universidades administradas y número 12 para la calidad de vida según el Princeton Review. Rice también está clasificada como una de las mejores universidades privadas en términos de valor por Kiplinger’s Personal Finance.
