- Investigadores de Rice University probaron la estimulación remota de neuronas y la conexión de un nervio ciático seccionado en ratones usando un material magnetoeléctrico que convierte campos magnéticos en campos eléctricos
- El nuevo material muestra una conversión 120 veces más rápida que materiales similares existentes, y apunta a resolver problemas de forma y frecuencia de las señales a los que las neuronas tenían dificultad para responder
- Su estructura se basa en una capa piezoeléctrica de lead zirconium titanate y capas magnetostrictivas de Metglas, con capas apiladas de platinum, hafnium oxide y zinc oxide para generar señales eléctricas no lineales
- Para reducir el tamaño total del dispositivo se requiere un proceso capaz de producir capas delgadas de menos de 200 nm; a largo plazo, el objetivo es lograr una forma inyectable en el sitio deseado
- Este enfoque podría reducir la invasividad de los tratamientos de neuroestimulación y también derivar en aplicaciones fuera de la bioelectrónica, como detección, memoria y electrónica
Estimulación remota de nervios con materiales magnetoeléctricos
- Los materiales magnetoeléctricos pueden convertir campos magnéticos en campos eléctricos, por lo que han llamado la atención como candidatos terapéuticos para estimular tejido nervioso de forma mínimamente invasiva
- La limitación de los materiales existentes era que la forma y frecuencia de la señal eléctrica convertida eran difíciles de responder para las neuronas
- El equipo de Jacob Robinson, de Rice University, diseñó un nuevo material magnetoeléctrico orientado a resolver este problema
- Según el estudio publicado en Nature Materials, este material puede estimular neuronas de manera remota y precisa
- En un modelo con ratones, se usó para salvar la brecha de un nervio ciático seccionado
- Realiza la conversión magnetoeléctrica 120 veces más rápido que materiales similares
Objetivo: neuroestimulación menos invasiva que los dispositivos implantables
- Robinson considera que las características y el desempeño de este material podrían tener un gran impacto en los tratamientos de neuroestimulación
- En lugar de implantar dispositivos de neuroestimulación como se hace actualmente, podría ser posible inyectar una cantidad muy pequeña de material en la zona deseada
- Joshua Chen partió de la pregunta de si podía existir un material que, aun introducido en el cuerpo en una cantidad muy pequeña o con un tamaño similar al “polvo”, pudiera estimular el cerebro o el sistema nervioso
- Los campos magnéticos penetran fácilmente en el cuerpo, y los materiales magnetoeléctricos pueden convertirlos en los campos eléctricos que usa el sistema nervioso para transmitir información
Estructura del material y principio de funcionamiento
- Los investigadores partieron de un material magnetoeléctrico con una capa piezoeléctrica de lead zirconium titanate intercalada entre dos capas magnetostrictivas de Metglas
- Metglas es una aleación de vidrio metálico que puede magnetizarse y desmagnetizarse rápidamente
- Cuando se aplica un campo magnético, el elemento magnetostrictivo vibra y cambia de forma, y el material piezoeléctrico genera electricidad a partir de esa deformación
- Al combinar ambos materiales, se puede convertir un campo magnético aplicado desde fuera del cuerpo en un campo eléctrico
Señales no lineales a las que las neuronas pueden responder
- En los materiales magnetoeléctricos existentes, la relación entre el campo eléctrico y el campo magnético es lineal
- Lo que los investigadores necesitaban era una relación no lineal capaz de producir señales eléctricas a las que las neuronas realmente pudieran responder
- Para lograrlo, apilaron los siguientes materiales sobre la película magnetoeléctrica existente
- platinum
- hafnium oxide
- zinc oxide
- El desafío fue encontrar técnicas de fabricación compatibles entre los materiales
- Robinson explicó que se requirió mucho trabajo para producir capas delgadas de menos de 200 nm con propiedades especiales
- Bhave considera que este proceso puede reducir el tamaño total del dispositivo y abrir el camino a una forma inyectable en el futuro
Experimentos en nervios periféricos de ratones y potencial para neuroprótesis
- En un experimento de prueba de concepto, los investigadores estimularon nervios periféricos de ratones con este material
- Demostraron que era posible recuperar función en un nervio seccionado, lo que sugiere posibles aplicaciones en neuroprótesis
- Chen explicó que este metamaterial podría usarse para salvar la brecha de un nervio cortado y restaurar la alta velocidad de las señales eléctricas
- Los investigadores consideran que este marco de diseño de materiales derivó en un nuevo diseño de metamaterial capaz de superar varios problemas en neurotecnología
- El mismo método de diseño también podría aplicarse a otras áreas, como detección y memoria en electrónica
Artículo de investigación y apoyo
- El título del artículo es “Self-rectifying magnetoelectric metamaterials for remote neural stimulation and motor function restoration”
- Fue publicado en Nature Materials y su DOI es 10.1038/s41563-023-01680-4
- Los autores del estudio son Joshua Chen, Gauri Bhave, Fatima Alrashdan, Abdeali Dhuliyawalla, Katie Hogan, Antonios Mikos y Jacob Robinson
- La investigación recibió apoyo de la National Science Foundation y los National Institutes of Health
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
Como alguien que conoce a un paciente con lesión de médula espinal, se siente bastante cruel que se repitan una y otra vez innovaciones que tardarán 20 años en llegar al mercado
No sé cómo solucionarlo, pero desde la posición de alguien con una enfermedad intratable, esta práctica afecta directamente la vida de uno y genera mucho miedo; aun así, cuando se habla de esto en HN, a menudo te bajan el voto, te atacan y te tratan como si dijeras tonterías, así que prácticamente me rendí
Siento mucho lo que está pasando tu conocido
Espero que todos cuiden bien su sistema nervioso
Hay muchas enfermedades que cambian la vida con perspectivas futuras mucho más sombrías, por ejemplo con muy poco financiamiento o interés en investigación
Aun así, es cierto que una espera larga es terrible para quienes sufren ahora
No soy del área médica, pero ¿alguien puede explicar exactamente qué tan importante es esto?
Me pregunto si está al nivel de una reparación de médula espinal, o si es solo algo como reparar un nervio cortado
Podría permitir terapias de estimulación nerviosa menos invasivas, pero no se sabe si serán más efectivas
Porque no todas las neuronas vuelven a crecer ni regresan al lugar donde deberían estar
Un amigo que andaba en moto chocó contra la baranda de un puente y se cortó los nervios del hombro derecho; no tiene sensibilidad en el brazo y tampoco puede moverlo
Si se pudiera arreglar algo así, sería enorme para esas personas
Por ejemplo, también a pacientes con diabetes, y esta tecnología podría mejorar muchas vidas
Si lo entendí bien, esto parece permitir la conversión nervio-digital y digital-nervio
Entonces significaría que pronto podremos reemplazar el cuerpo por un cuerpo robótico
Los problemas restantes son cómo mantener vivo el cerebro en un tanque y cómo hacer que el equipo de soporte vital sea lo bastante pequeño como para caber dentro del cuerpo
Como solo habría que hacer circular la sangre, eliminar el dióxido de carbono y suministrar oxígeno y glucosa, probablemente no sea tan difícil, e incluso podría mantenerse vivo el cerebro indefinidamente
Antes de decir que “se puede mantener vivo el cerebro indefinidamente” y que “no es tan difícil”, habría que mirar por qué entre un tercio y la mitad de la población mayor de 85 años sufre Alzheimer, Parkinson o demencia
Los desarrolladores de software tienden a ver estos problemas de forma demasiado simple y optimista, y el cuerpo humano es mucho más complejo de lo que sugiere esa explicación
Espero que esto sirva para ayudar a personas con lesiones nerviosas por cortes, o para lograr mejores prótesis para personas sin extremidades, con movimiento y sensores táctiles
Personalmente, también me interesa mucho mejorar la interacción humano-computadora
Ojalá sea posible sin cirugía, o con un método extremadamente poco invasivo y rápido
Más aún cuando en HN aparecen publicaciones cada dos días, y cientos en Reddit, afirmando que se ha encontrado una cura definitiva para el cáncer o el AIDS
Siempre me pareció desfasado que podamos trasladar un cuerpo humano al otro lado del planeta durante 25 horas a 900 km/h por menos de 1.500 dólares, pero ni gastando 1.000 veces más dinero y 1.000 veces más tiempo podamos salvar la distancia entre el cerebro y los pies
Ahora hay que empalmarlo todo de modo que cada puerto vuelva a conectarse con el puerto al que estaba conectado originalmente
Además, esos cables son de tamaño microscópico, extremadamente frágiles, y en realidad no sabemos cómo repararlos
Básicamente solo esperamos que vuelvan a crecer en su lugar
Más bien parece natural
La precisión siempre fue difícil
A la mayoría de la gente le resulta más difícil acertar exactamente en un punto de 1 mm a 1 m de distancia que patear una pelota 10 m
Mover una pila de arena 100 m es más fácil que mover exactamente un solo grano de arena 1 cm sin tocar los granos alrededor
Los aviones fueron diseñados por humanos a partir de primeros principios, y somos buenos documentando nuestros inventos y entendiendo sus principios
Pero construir algo que se conecte con sistemas biológicos es un problema totalmente distinto
Es como hacer ingeniería inversa de tecnología alienígena: hay que reconstruir el entendimiento de algo extremadamente complejo que nuestra civilización no diseñó
Es tan complejo que recién hace relativamente poco, gracias a avances en otros campos, pudimos crear herramientas para indagarlo de forma significativa
Siempre hemos sabido, al menos desde el Antiguo Egipto, más matemáticas que física, más física que química, y más química que sobre nuestro cuerpo
La tecnología disponible también refleja esa diferencia
¿Será posible, en un futuro cercano de ciencia ficción, usar una tecnología así para trasplantar una nueva médula espinal cultivada en laboratorio?
“Parte de los objetivos de CTRL-Labs son bastante extraños, como entrenar un modelo para controlar dedos adicionales”
https://www.theverge.com/2018/6/6/17433516/ctrl-labs-brain-c...
¿Podríamos reforzar o interconectar los nervios para controlar cosas que originalmente no podemos controlar?
Por ejemplo, ¿qué tal si pudiéramos secretar hormonas a voluntad para liberar adrenalina o calmarnos?
Por lo que he leído, la médula espinal también tiene capacidades básicas de respuesta y pensamiento, y quizá supere el nivel de lo que los humanos podemos crear.
Es una gran esperanza para los pacientes con parálisis.
Solo espero que no termine siendo una tecnología tan cara que solo puedan usarla unos cuantos millonarios.
Los comunicados que publican directamente las universidades, por ejemplo artículos donde rice.edu anuncia un gran avance, tienen incentivos tan distorsionados que ahora casi se sienten como clickbait.
Los investigadores exageran los resultados para obtener publicaciones y financiamiento, y la universidad vuelve a exagerarlos para atraer estudiantes e inversionistas.
Me pregunto si a otros les pasa algo parecido, o si yo me volví demasiado cínico.
La cobertura académica es difícil y poco gratificante.
Visto sin cinismo, la mitad del trabajo de un investigador es difundir sus resultados a otros investigadores y al público.
Antes que las noticias que provocan indignación dominen la televisión y las páginas de “noticias mainstream”, prefiero comunicados universitarios entusiastas, aunque estén algo exagerados.
Un investigador serio, al final, puede volver al material real revisado por pares.
El artículo también tenía el enlace, y el original está aquí: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01680-4
El PDF está aquí: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.24.477527v2....
Como alguien que conoce este campo de forma periférica, y sabe un poco de dispositivos piezoeléctricos y magnetostrictivos, así como de estimulación y registro neural, nunca había visto un material magnetostrictivo capaz de generar un sesgo de CC.
Además, también me parece novedoso operar el dispositivo en modo no resonante para la estimulación neural.
Lo veo desde unos 1,000 pies de distancia, pero es bastante interesante, y creo que este artículo es una cobertura efectiva con contenido a la altura de la exageración.
Buena parte de lo que sabemos sobre sociología podría ser falso, y si una gran base del pensamiento progresista sobre raza, sexo y género descansa ahí, sería un gran problema.
Como mínimo, no parece muy distinto de esta situación.
¿Cuándo llegará Neural lace?
Entiendo que el potencial es enorme y atractivo, pero no quisiera ser un usuario temprano de un producto así.