Saúde

Eletrodos de pela­cula fina microfabricados mostram promessa terapaªutica
No ini­cio deste ano, matrizes de microgrelha de filme fino desenvolvidas no Laborata³rio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) e usadas em pacientes do neurologista Jon Kleen na Universidade da Califórnia em San Francisco (UCSF) mostraram que o hipoca
Por Aimee Fountain - 02/12/2021


Em um estudo recente do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e da equipe da University of California, San Francisco, os pesquisadores descobriram que a flexibilidade dos microeletrodos de pela­cula fina desenvolvidos pelo LLNL, combinada com espaa§amento de grade de alta densidade, fornece maiores na­veis de detalhes sobre como o cérebro funciona, ao mesmo tempo que fornece a capacidade de estimular áreas do cérebro afetadas pela epilepsia e outros distúrbios neurola³gicos. Crédito: Laborata³rio Nacional Lawrence Livermore

No ini­cio deste ano, matrizes de microgrelha de filme fino desenvolvidas no Laborata³rio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) e usadas em pacientes do neurologista Jon Kleen na Universidade da Califa³rnia, San Francisco (UCSF) mostraram que a atividade cerebral do hipocampo consistia em ondas que viajavam bidirecionalmente durante tarefas comportamentais. Essas matrizes de microgrelha de filme fino são projetadas não apenas para ficar nasuperfÍcie do cérebro, como faziam ao medir as ondas cerebrais do hipocampo, mas são flexa­veis o suficiente para fazer contato a­ntimo com a topografia dasuperfÍcie do cérebro.

Mais recentemente, em um artigo publicado no Journal of Neural Engineering , os pesquisadores descobriram que essa flexibilidade, combinada com espaa§amento de grade de alta densidade, fornece maiores na­veis de detalhes sobre como o cérebro funciona, ao mesmo tempo que fornece a capacidade de estimular áreas do cérebro afetados por epilepsia e outros distúrbios neurola³gicos. O artigo foi escrito pelos pesquisadores da UCSF Kristen Sellers, Jason Chung e Heather Dawes do laboratório de Edward Chang; e os pesquisadores do LLNL Jenny Zhou e Michael Triplett, trabalhando com o lider do Grupo de Microsistemas Implanta¡veis, Razi Haque.

Os arranjos desuperfÍcie de microeletrocorticografia de filme fino contem 32 eletrodos e tem 1,2 mm de dia¢metro, com um passo (a distância entre seus centros) de apenas 2 mm, proporcionando umnívelmais alto de especificidade espacial e localização do que os arranjos de eletrodos comerciais. Como a flexibilidade e o tamanho das matrizes de filme fino tem o potencial de adicionar dezenas de eletrodos a uma matriz, os autores argumentam que a abordagem de fabricação e montagem descrita mostra uma grande promessa para a aquisição de informações exclusivas que permitira£o o direcionamento espacial refinado e personaliza¡vel de diferentes áreas do cérebro - com implicações para aplicações cla­nicas e de pesquisa, incluindo estimulação intracraniana.

"A estreita colaboração entre UCSF e LLNL permite ciclos rápidos de iterações de design e testes intra-operata³rios, elucidando quais recursos dos arrays podem ser otimizados para melhor medir e compreender a atividade cerebral", observou Sellers.

O manãtodo de microfabricação do LLNL distingue essas matrizes de pela­cula fina de suas contrapartes comerciais: Elas são formadas por meio de um processo 2,5D em que camadas planas de materiais - neste caso, polímeros e metais - são depositadas de acordo com um padrãoe então gravadas para definir sua forma final como dispositivos funcionais. Como muitos eletrodos de pela­cula fina pequenos podem ser feitos de uma são vez por meio desta técnica de produção, eles são essencialmente idaªnticos, de modo que, de acordo com os autores, "eles exibem excelente consistaªncia eletrodo a eletrodo e dispositivo a dispositivo", o que fornece maior precisão tanto na detecção quanto no direcionamento das diferentes áreas do cérebro que estãosendo estudadas.
 
Os dados dos pesquisadores sugerem que as novas matrizes de filme fino transmitem sinais de maior qualidade do que suas contrapartes comerciais em parte porque a flexibilidade adicional ajuda o eletrodo a se conformar melhor com o cortex do cérebro, estabelecendo um contato mais a­ntimo entre o cérebro e a matriz para que a atividade neural émais facilmente transmitido entre os dois. Da mesma forma, a transmissão éauxiliada pela rigidez uniforme da pela­cula fina, atribua­vel aos condutores de metal nos eletrodos sendo uniformemente distribua­dos em vez de intercalados na forma de metal em massa, o que em matrizes comerciais contribui para a rigidez varia¡vel e mais extrema que os impede de mentir plana nasuperfÍcie do cérebro. De acordo com os pesquisadores,

Para avaliar as habilidades comparativas de matrizes de eletrodos comerciais versus matrizes de filme fino, os pesquisadores coletaram dados de quatro pacientes com convulsaµes refrata¡rias que estavam se preparando para se submeter a uma cirurgia para controlar a epilepsia do lobo temporal.

Matrizes desuperfÍcie de 32 eletrodos foram colocadas em três pacientes para teste, e as matrizes de profundidade cila­ndricas - também com 32 contatos - foram testadas em três pacientes. Os experimentadores descobriram que "sinais entre contatos adjacentes na mesma linha ou coluna da matriz desuperfÍcie, com espaa§amento de 2 mm, tinham coeficientes de correlação inferiores a 1, indicando que mesmo durante a atividade em estado de repouso altamente correlacionada, esta densidade de eletrodos registrou informações únicas. "

Para testar se uma densidade ainda maior de eletrodos produziria mais informações, os autores compararam eletrodos mais pra³ximos e mais espaa§ados nas matrizes desuperfÍcie (pares adjacentes versus pares dispostos diagonalmente) e descobriram que as diferenças eram significativas. Os pesquisadores conclua­ram que estudos futuros podem fornecer novas informações a partir de arranjos desuperfÍcie mais bem organizados. Uma análise semelhante entre matrizes de profundidade também mostrou que uma quantidade significativa de novas informações foi registrada quando a inclinação de profundidade da matriz foi ajustada - eletrodos inseridos mais profundamente no cérebro forneceram informações diferentes dos eletrodos adjacentes em menos profundidade.

Embora uma variedade de considerações, como diferenças cerebrais individuais, possam influenciar a resposta de estimulação elanãtrica, os resultados sugerem que o tamanho dos eletrodos de pela­cula fina geralmente permite dados mais granulares e estimulação de tecido melhor direcionada. Como os autores colocaram, "Nossos estudos intraoperata³rios de percepção e estimulação conduzidos em quatro pacientes humanos demonstraram que essas matrizes de densidade mais alta forneceram informações sensoriais adicionais e maior controle sobre a propagação espacial da estimulação." Os pesquisadores consideraram os resultados significativos porque o uso da eletrocorticografia para fins diagnósticos e estimulação terapaªutica foi impedido pelo grande tamanho (e correspondente menor densidade) dos eletrodos comerciais. A microfabricação de matrizes de eletrodos de pela­cula fina pode resolver esses problemas de escalabilidade,

O trabalho éo resultado de esforços de anos que fazem parte do programa SUBNETS (Systems-Based Neurotechnology for Emerging Therapies) da DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), originalmente criado para estudar transtornos de humor como o transtorno de estresse pa³s-trauma¡tico (PTSD), depressão e ansiedade, bem como dor crônica. Esta pesquisa contribui para os objetivos de longo prazo do programa SUBNETS, contribuindo para uma abordagem de "ciclo fechado" para a terapaªutica - uma em que a estimulação neural terapaªutica éacionada apenas quando necessa¡ria, em vez de estar "ligada" o tempo todo, como em um ambiente aberto sistema de loop. Os sistemas de malha aberta podem se tornar ineficazes com o tempo, conforme o cérebro se aclimata ao esta­mulo, e os efeitos colaterais são mais comuns na abordagem de malha aberta, de acordo com Haque.

 

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