Uma sonda ultrafina e flexível pode melhorar a capacidade dos cientistas de medir a atividade neurológica no cérebro.
Uma das áreas da medicina que mais se desenvolve é a neurociência – a investigação do funcionamento interno do cérebro, uma área do corpo notoriamente difícil de investigar. A compreensão de como as redes neuronais funcionam é vital para nossa compreensão de doenças neurológicas, como Alzheimer e Parkinson, bem como questões como depressão e dependência, tornando esta uma área premente de investigação científica.
As redes neuronais podem ser monitoradas usando sondas que são capazes de registrar sinais elétricos dos neurônios individuais que compõem essas redes. Esses sinais elétricos constituem a comunicação entre os neurônios, portanto, monitorá-los pode fornecer aos cientistas uma visão de como diferentes regiões do cérebro – e, crucialmente, como doenças e outros fatores – afetam e interrompem essa comunicação. O monitoramento também pode ser usado para avaliar os efeitos das drogas usadas para tratar essas doenças cerebrais.
Atualmente, essas investigações são realizadas com a implantação de sondas à base de polímeros e de silício, mas esses dispositivos sofrem de limitações que dificultam seu desempenho e os tornam excessivamente intrusivos. Isso inclui o fato de que atingir diferentes regiões do cérebro requer a implantação de sondas cada vez mais “tradicionais”, cada uma com sua própria interface.
Essas sondas podem ser complicadas, adicionando peso ao sistema e aumentando o risco de que as sondas deslizem em relação às suas contrapartes, algo que pode diminuir a capacidade do sistema de monitorar redes neurais. Esses problemas poderiam ser eliminados se um sistema de monitoramento neuronal pudesse ser criado, usando uma única interface e empregando sondas leves com uma estrutura semelhante a um fio.
Uma sonda flexível semelhante a um fio
Criando apenas um sistema assim foi o objetivo de Charles M. Lieber, Lieber Research Group e professor aposentado da Universidade de Harvard com Jung Min Lee, da Korea University, que foi pós-doutorado com Lieber. Lee é o principal autor de um artigo publicado na revista ciência avançada que detalha a sonda neuronal.
“Esta plataforma aborda os problemas com sondas neurais implantáveis, utilizando uma única sonda flexível e biocompatível ‘semelhante a um fio’ que pode ser implantada em dois ou mais locais usando agulhas de vidro ou metal fino, onde as propriedades flexíveis e biocompatíveis garantem uma perfeita e estável interface com o tecido cerebral”, disse Lieber. “Além disso, esta plataforma permite monitorar atividades neurais de vários locais distintos do cérebro, que podem estar amplamente separados, usando uma única interface de baixa massa”.
Ele acrescenta que esta é uma melhoria em relação a várias sondas de haste única que são limitadas pelos tamanhos e pesos das interfaces para múltiplas sondas e sofrem de uma capacidade de rastrear mudanças na atividade neuronal durante períodos de tempo mais longos.
A equipe baseou suas sondas semelhantes a fios em malhas eletrônicas anteriores que haviam desenvolvido, o que lhes permitiu criar um “sanduíche” de três camadas de duas camadas de polímero separadas por metal. Os polímeros servem para isolar os condutores metálicos do cérebro e tornar a sonda biocompatível com o tecido que a envolve.
O material selecionado pela equipe é um polímero comercial chamado SU-8, que pode ser transformado em um polímero viscoso que pode ser fiado tão fino quanto 1 mícron (cerca de 0,0001 cm) ou pode ser empilhado para criar laminados acima de 1 mm grosso.
Lieber explicou que o SU-8 pode ser usado diretamente na fotolitografia, um processo de padronização usado para fazer as sondas nas quais um polímero fotossensível é exposto à luz em áreas selecionadas, deixando uma imagem que pode ser padronizada em um substrato subjacente. O SU-8 também é estável por longos períodos de tempo.
“Outra característica fundamental de nossos projetos é a espessura sub-mícron das camadas de polímero e metal. Essa espessura, juntamente com as propriedades flexíveis do polímero SU-8, dá aos implantes uma flexibilidade semelhante ao próprio tecido cerebral”, explicou Lieber. “Essa correspondência de flexibilidade é uma parte fundamental da estabilidade no cérebro e do fato de que há uma reação adversa mínima após a implantação”.
Visualizando as redes do cérebro
Os pesquisadores testaram os dispositivos implantando-os em dois ou quatro locais em hidrogéis semitransparentes, um material composto por uma estrutura em rede 3D capaz de armazenar grandes quantidades de água, que foi selecionado por ter propriedades mecânicas semelhantes às do tecido cerebral .
“Isso nos permitiu visualizar e otimizar a costura em vários locais e mostrar que poderíamos alcançar um alto rendimento de condutividade elétrica mesmo ao costurar a sonda em forma de linha”, continuou Lieber.
A equipe então realizou na Vivo Estudos usando camundongos mostraram que todos os locais das sondas costuradas tinham uma interface tecido-sonda perfeita, criando uma resposta imune adversa insignificante do tecido.
“No começo, ficamos bastante surpresos ao ver que costurar nossas sondas em sondas únicas em dois ou até quatro locais produziu exatamente a mesma confiabilidade que encontramos anteriormente para sondas implantadas em apenas um local – ou seja, interfaces de tecido de sonda sem costura e gravação estável de neurônios individuais de eletrodos em cada uma das regiões durante pelo menos um mês”, acrescentou Lieber. “Isso nos permitiu pensar com ousadia sobre oportunidades futuras.”
Os autores disseram que agora estão trabalhando para aumentar o número de regiões e o número total de neurônios monitorados, incorporando o potencial de monitorar e modular a atividade de neurônios e redes por meio de estimulação.
“O campo dos implantes neurais eletrônicos está à beira de uma nova era, abrangendo pesquisas fundamentais, intervenções terapêuticas e várias aplicações da medicina”, concluiu Lieber.
Referências: J., M., Lee., et al., Costurando eletrônicos flexíveis no cérebroCiência Avançada, (2023), DOI: 10.1002/advs.202300220
