Poeira neural - Neural dust
Poeira neural é um termo usado para se referir a dispositivos de tamanho milimétrico operados como sensores nervosos alimentados sem fio ; é um tipo de interface cérebro-computador . Os sensores podem ser usados para estudar, monitorar ou controlar os nervos e músculos e monitorar remotamente a atividade neural. Na prática, um tratamento médico poderia introduzir milhares de dispositivos de poeira neural em cérebros humanos. O termo é derivado de " poeira inteligente ", pois os sensores usados como poeira neural também podem ser definidos por esse conceito.
Fundo
O design para poeira neural foi proposto pela primeira vez em um artigo de 2011 da Universidade da Califórnia, Berkeley Wireless Research Center, que descreveu os desafios e os benefícios excepcionais de criar uma interface de computador cérebro sem fio de longa duração (BCI) . Embora a história da BCI comece com a invenção do eletroencefalograma por Hans Berger em 1924, o termo não apareceu na literatura científica até a década de 1970. A marca registrada da pesquisa no campo veio da University of California, Los Angeles (UCLA), após uma bolsa de pesquisa da National Science Foundation .
Embora a poeira neural caia na categoria de BCI, ela também pode ser usada no campo da neuroprótese (também conhecida como prótese neural). Embora os termos possam às vezes ser usados indistintamente, a principal diferença é que, embora o BCI geralmente faça interface da atividade neural diretamente com um computador, os neuroprostéticos tendem a conectar a atividade no sistema nervoso central a um dispositivo destinado a substituir a função de uma parte do corpo ausente ou prejudicada .
Função
Componentes
Os principais componentes do sistema de poeira neural incluem os nós sensores (poeira neural), que visam estar na escala de 10-100 µm 3 , e um interrogador subcraniano , que ficava abaixo da dura-máter e forneceria energia e um elo de comunicação com a poeira neural. As partículas de poeira neural consistem em um par de eletrodos de registro , um transistor personalizado e um sensor piezoelétrico . O cristal piezoelétrico é capaz de registrar a atividade cerebral do espaço extracelular e convertê-la em um sinal elétrico.
Transferência de dados e energia
Embora existam muitas formas de BCI, a poeira neural está em uma classe própria devido ao seu tamanho, capacidade sem fio e uso de tecnologia de ultrassom . Embora muitos dispositivos comparáveis usem ondas eletromagnéticas (como frequências de rádio ) para interagir com sensores neurais sem fio, o uso de ultrassom oferece as vantagens de uma resolução espacial mais alta, bem como de atenuação diminuída no tecido. Isso resulta em maiores profundidades de penetração (e, portanto, comunicação mais fácil com o comunicador subcraniano), bem como redução da energia indesejada sendo distribuída nos tecidos do corpo devido à dispersão ou absorção. Esse excesso de energia tomaria a forma de calor, o que causaria danos ao tecido circundante. O uso de ultrassom também permite maior dimensionamento dos nós sensores, permitindo tamanhos menores que 100 µm, o que oferece grande possibilidade no domínio da eletrônica implantável.
Comunicação Backscatter
Devido ao tamanho extremamente pequeno das partículas de poeira neural, seria impraticável e quase impossível criar um transmissor funcional no próprio sensor. Assim , a comunicação de retroespalhamento , adotada a partir de tecnologias de identificação por radiofrequência (RFID), é empregada. No RFID passivo, as etiquetas sem bateria são capazes de absorver e refletir energia de radiofrequência (RF) quando próximas a um interrogador de RF, que é um dispositivo que transmite energia de RF. À medida que refletem a energia de RF de volta para o interrogador, eles são capazes de modular a frequência e, ao fazer isso, codificar informações. A poeira neural emprega esse método fazendo com que o comunicador sub-dural envie um pulso de ultrassom que é então refletido pelos sensores de poeira neural. O cristal piezoelétrico detecta o sinal neuronal de sua localização no espaço extracelular , e a energia de ultrassom refletida de volta para o interrogador seria modulada de uma forma que comunicaria a atividade registrada.
Em um modelo proposto do sensor de poeira neural, o modelo do transistor permitiu um método de separação entre potenciais de campo locais e "picos" de potencial de ação , o que permitiria uma riqueza muito diversificada de dados adquiríveis a partir das gravações.
Aplicações clínicas e de saúde
Próteses Neurais
Alguns exemplos de próteses neurais incluem implantes cocleares que podem ajudar a restaurar a audição, microchips de retina de silicone artificial que se mostraram eficazes no tratamento da degeneração retinal da retinite pigmentosa e até mesmo próteses motoras que poderiam oferecer a capacidade de movimento em pessoas afetadas com tetraplegia ou doenças como esclerose lateral amiotrófica . O uso de poeira neural em conjunto com próteses motoras pode permitir um controle muito mais preciso do movimento.
Eletroestimulação
Embora os métodos de estimulação elétrica de nervos e tecido cerebral já tenham sido empregados há algum tempo, o tamanho e a natureza sem fio da poeira neural permitem avanços nas aplicações clínicas da técnica. É importante ressaltar que, como os métodos tradicionais de neuroestimulação e certas formas de estimulação nervosa, como a da medula espinhal, usam eletrodos implantados que permanecem conectados a fios, o risco de infecção e cicatrizes é alto. Embora esses riscos não sejam um fator no uso de poeira neural, o desafio de aplicar corrente elétrica suficiente ao nó sensor ainda está presente.
Apnéia do sono
Dispositivos de eletroestimulação já demonstraram alguma eficácia no tratamento da Apneia Obstrutiva do Sono (AOS). Os pesquisadores que usaram um dispositivo de eletroestimulação implantado cirurgicamente em pacientes com AOS grave encontraram uma melhora significativa ao longo de um período de 12 meses de tratamento com o dispositivo. A estimulação do nervo frênico também se mostrou eficaz na redução da apnéia central do sono .
Controle da bexiga em paraplégicos
Dispositivos de estimulação elétrica têm sido eficazes em permitir que pacientes com lesão da medula espinhal melhorem a capacidade de urinar e defecar usando implantes ligados por rádio para estimular a área da raiz anterior sacral da coluna vertebral
Epilepsia
A terapia por estimulação elétrica em pacientes com epilepsia é um procedimento bem estabelecido há algum tempo, remontando à década de 1950. Um objetivo primordial da Sociedade Americana de Epilepsia é o desenvolvimento contínuo da estimulação elétrica cerebral automatizada (também conhecida como estimulação contingente ou de circuito fechado), que fornece estimulação elétrica para conter as convulsões com base em padrões cerebrais que indicam que uma convulsão está prestes a acontecer. Isso fornece um tratamento muito melhor para o distúrbio do que a estimulação baseada em uma estimativa de quando a convulsão pode ocorrer. Embora a estimulação do nervo vagal seja frequentemente uma área-alvo para o tratamento de crises epilépticas , tem havido pesquisas sobre a eficácia da estimulação no hipocampo , tálamo e núcleo subtalâmico . A neuromodulação cortical de circuito fechado também foi investigada como uma técnica de tratamento para a doença de Parkinson