Los 'electrodos ópticos' pueden leer su mente, allanando el camino hacia prótesis completamente funcionales e interfaces cerebro-máquina

Los investigadores en Australia están trabajando arduamente en la tecnología que finalmente puede integrar las prótesis con nuestro sistema nervioso. Este sistema lee las señales de nuestro cerebro usando luz y puede permitir registros mucho más precisos de la actividad neuronal.

Aunque la investigación aún se encuentra en sus primeras etapas, el equipo ha demostrado que su enfoque es sólido. Con experiencia en ingeniería biomédica y eléctrica, investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) Sydney han desarrollado un nuevo enfoque para medir la actividad neuronal utilizando luz en lugar de electricidad. Esto evita varios de los problemas que aquejan a otras tecnologías de interpretación actualmente disponibles.

Cuando esté maduro, dicho enfoque podría permitir un cambio fundamental en la forma en que funcionan las tecnologías médicas, como las prótesis controladas por nervios o las interfaces cerebro-máquina.

lectura de la mente

"[The new approach bypasses] preguntas difíciles que las tecnologías de la competencia no pueden abordar", explica el profesor François Ladouceur de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y de Telecomunicaciones de la UNSW, coautor del artículo. "Primero, es muy difícil reducir el tamaño de la interfaz usando electrodos convencionales para que miles de ellos puedan conectarse a miles de nervios en un área muy pequeña. A medida que encoge miles de electrodos y los coloca cada vez más juntos para conectarlos a tejidos biológicos […] su resistencia individual aumenta, lo que degrada la relación señal-ruido, por lo que tenemos problemas para leer la señal. A esto lo llamamos "desajuste de impedancia".

“Otro problema es lo que llamamos 'persecución cruzada': cuando encoges estos electrodos y los acercas, comienzan a hablar o influir entre sí debido a su proximidad. La verdadera ventaja de nuestro enfoque es que podemos hacer que esta conexión sea muy densa en el dominio óptico y no pagamos el precio que usted tiene que pagar en el dominio eléctrico.

En su nuevo artículo, el equipo muestra que pueden usar optrodes, "electrodos de luz", para medir con precisión los impulsos nerviosos a medida que viajan a través de los haces nerviosos de los animales vivos.

Para ello, conectan un optrodo al nervio ciático de un animal anestesiado. Luego estimulan el nervio usando una corriente eléctrica suave y registran la señal que transporta usando uno de sus optrodos. Para tener datos contra los cuales probar la efectividad de su enfoque, el equipo también realizó este paso utilizando un electrodo convencional y un bioamplificador.

En general, explica el equipo, las respuestas neuronales registradas por estos diferentes dispositivos "fueron esencialmente las mismas". El sensor óptico registra el pulso con una señal más fuerte que el electrodo, pero esto no es sorprendente dado que aún se encuentra en sus primeras fases de desarrollo. Sin embargo, el experimento mostró de manera crucial que los optrodes se pueden usar para interpretar de manera confiable la actividad neuronal.

Los impulsos nerviosos medidos aquí tienen magnitudes medidas en microvoltios, lo que los hace relativamente débiles. En el futuro, el equipo planea probar matrices de optrodes contra redes más complejas de nervios y otros tipos de tejido excitable. El juego final es crear interfaces que puedan conectar prótesis a un sistema neuronal activo.

El equipo estima que una mano completamente funcional, una que pueda moverse, manipular objetos, devolver datos sensoriales completos y realizar todas las innumerables funciones que damos por sentadas, como cambiar la velocidad o la presión, requeriría entre 5000 y 10 000 conexiones entre ella y el sistema neuronal del usuario. Cada uno de nosotros tiene un haz de nervios que desciende desde la corteza motora hasta nuestros brazos y manos y finalmente se divide en 5000 a 10 000 fibras individuales que inervan cada músculo.

En otras palabras, si un chip con esta cantidad de conexiones ópticas pudiera implantarse en el cerebro o en algún lugar de la mano antes de que el haz de nervios se divida en fibras individuales, podría permitir la integración de una prótesis de mano con la misma capacidad que una biológica. ¡Definitivamente un pensamiento emocionante!

Con eso en mente, probablemente pasarán décadas antes de que un dispositivo de este tipo esté remotamente cerca de estar listo para su uso. Para empezar, necesitaremos refinar los optrodos y hacerlos bidireccionales (es decir, permitirles enviar señales a los nervios, no solo recibirlas).

Más allá de las prótesis funcionales, esta investigación abre nuevas vías a través de las cuales la tecnología puede integrarse directamente en nuestro sistema nervioso. Dispositivos tales como interfaces cerebro-máquina que nos permitirían controlar computadoras o recibir datos sensoriales de nuestras manos podrían construirse sobre estos chips optrode.

"El campo de la interacción neuronal es un área increíblemente emocionante y será objeto de una intensa investigación y desarrollo durante la próxima década", dice el profesor Nigel Lovell, autor correspondiente del artículo.

El artículo "Transductores electroópticos de cristal líquido para aplicaciones de detección electrofisiológica" se publicó en Revista de Ingeniería Neural.