Investigadores de varias universidades importantes de China han desarrollado un nuevo chip de estimulación neuronal diseñado para hacer que la modulación neuronal sea más segura y eficaz para el tratamiento de enfermedades neurológicas. El equipo, dirigido por el profesor Biao Sun y el profesor asociado Xu Liu, creó un dispositivo de última generación de 8 canales capaz de proporcionar estimulación de alto voltaje con una eficiencia notable. El chip, que alcanza una eficiencia energética del 98% e incluye sofisticados mecanismos de equilibrio de carga, podría mejorar significativamente los tratamientos para enfermedades como la enfermedad de Parkinson, la epilepsia y las lesiones de la columna vertebral. También tiene aplicaciones potenciales en interfaces cerebro-máquina y prótesis avanzadas.
La modulación neuronal, el uso de estímulos eléctricos para alterar la actividad del sistema nervioso, es un área de investigación apasionante que promete ser útil para tratar diversos trastornos neurológicos. Mediante la estimulación directa del cerebro u otros sistemas nerviosos, estas técnicas pueden ayudar a aliviar los síntomas de enfermedades como el Parkinson o controlar las convulsiones epilépticas. Sin embargo, uno de los principales desafíos en este campo es hacer llegar el estímulo eléctrico a las neuronas de una manera que sea a la vez efectiva y segura. La estimulación de las neuronas requiere un control preciso de la carga eléctrica para evitar dañar el tejido circundante, al tiempo que se garantiza que el consumo de energía se mantenga eficiente.
Para abordar esta cuestión, el profesor Sun y sus colaboradores diseñaron un novedoso chip de estimulación neuronal que proporciona corrientes que decaen exponencialmente. Este tipo de corriente es más eficiente energéticamente que los métodos tradicionales de corriente constante que se suelen utilizar en la modulación neuronal. Al hacer que el proceso sea más seguro y eficiente, la innovación del equipo podría mejorar significativamente las opciones de tratamiento actuales para los pacientes y abrir nuevas posibilidades para futuras tecnologías de interfaz cerebro-máquina.
El estudio se llevó a cabo gracias a un esfuerzo colaborativo entre investigadores de cuatro instituciones: la Universidad de Tianjin, la Universidad de Tecnología de Pekín, la Universidad de Medicina Tradicional China de Tianjin y la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur. El núcleo de su investigación fue el desarrollo de un chip de estimulación neuronal de 8 canales. Este chip, fabricado con tecnología BCD CMOS de 180 nanómetros, tiene un área de núcleo compacta de solo 13,25 milímetros cuadrados. Fue diseñado para manejar salidas de alto voltaje, hasta 30 voltios, lo que le permite trabajar con electrodos de alta impedancia que se utilizan a menudo en la estimulación neuronal.
Para probar el rendimiento del chip, los investigadores llevaron a cabo una serie de experimentos de laboratorio y con animales. En primer lugar, confirmaron que el dispositivo podía activar de forma eficaz potenciales de acción (señales eléctricas producidas por neuronas) e inducir contracciones musculares en condiciones de prueba. Es importante destacar que el equipo prestó especial atención a garantizar que la estimulación eléctrica no dejara cargas residuales dañinas, que podrían provocar desequilibrios iónicos y daños en los tejidos con el tiempo.
Para lograrlo, cada canal del chip incluye un circuito de equilibrio de carga activo y un sistema de control de doble pendiente, que reduce significativamente las cargas residuales a menos de 3 nanoculombios por ciclo. Este nivel de precisión garantiza que el dispositivo pueda funcionar de forma segura durante muchos ciclos sin riesgo de dañar los tejidos, incluso cuando se aplica estimulación de alto voltaje.
En experimentos con animales, el chip se probó en ratas anestesiadas, donde estimuló con éxito tanto el nervio vago como el nervio ciático. Estas pruebas confirmaron que el chip podía inducir respuestas motoras en las ratas sin causar ningún daño tisular observable, lo que valida su potencial para su uso en entornos biológicos.
El hallazgo clave del estudio es el desarrollo de un chip de estimulación neuronal que combina seguridad y alta eficiencia energética, una combinación que ha sido difícil de lograr en diseños anteriores. Se descubrió que la salida de forma de onda exponencial del chip es particularmente beneficiosa, ya que permite una mayor eficiencia en la transferencia de carga, lo que es un desafío importante cuando se trabaja con electrodos de alta impedancia. Estos electrodos se utilizan comúnmente en la estimulación neuronal, pero crean una resistencia que dificulta la entrega de suficiente carga sin aumentar el riesgo de daño tisular.
La capacidad del chip para proporcionar estimulación de manera eficiente a una tensión de hasta 30 voltios y mantener un desequilibrio de carga de menos de 3 nanoculombios es una mejora importante con respecto a las tecnologías existentes. En pruebas de laboratorio, los investigadores descubrieron que el chip funciona a una tasa de eficiencia del 98,1 % con una salida de 20 voltios, lo que es significativamente mayor que la mayoría de los dispositivos existentes.
En cuanto a su aplicación en el mundo real, los investigadores son optimistas respecto de que este chip podría utilizarse en una variedad de dispositivos médicos diseñados para tratar afecciones neurológicas. Al mejorar la seguridad y la eficiencia de la estimulación neuronal, el chip podría conducir a mejores resultados terapéuticos para pacientes con afecciones como la enfermedad de Parkinson y la epilepsia, y también podría permitir sistemas de interfaz cerebro-máquina más avanzados, que podrían permitir a las personas paralizadas controlar prótesis u otros dispositivos con sus pensamientos.
Si bien el estudio representa un avance significativo en la tecnología de modulación neuronal, los investigadores reconocieron algunas limitaciones en su trabajo. En primer lugar, aunque el chip funcionó bien en el laboratorio controlado y en experimentos con animales, se necesitan pruebas más exhaustivas para confirmar su eficacia y seguridad en humanos. El tejido neuronal en humanos es más complejo que el de las ratas, y la interfaz entre el electrodo y el tejido puede comportarse de manera diferente en aplicaciones clínicas.
Además, si bien el chip logró un equilibrio de carga y una eficiencia energética impresionantes, se podrían realizar mejoras adicionales para captar mejor la complejidad de las interacciones neuronales en entornos biológicos más diversos. Las investigaciones futuras podrían centrarse en mejorar la capacidad del dispositivo para manejar una gama más amplia de protocolos de estimulación, especialmente en redes neuronales más complejas.
Fuente: elspub.com
Articulo original:
Título: “An 8-channel high-voltage neural stimulation IC design with exponential waveform output”.
Autores: Xu Liu, Zeyu Lu, Juzhe Li, Xue Zhao, Lin Zheng, Weijian Chen, Gengchen Sun, Jiaqi Sun, Liuyang Zhang, Shenjun Wang, Biao Sun y Hao Yu.