Los investigadores desarrollaron una matriz de electrodos corticales innovadora y mínimamente invasiva inspirada en la actuación de la robótica suave. La matriz, que mide 4 cm de diámetro cuando se despliega, puede insertarse a través de un orificio de 2 cm en el cráneo y colocarse entre el cráneo y el cerebro sin causar daños. La matriz tiene seis brazos en espiral que maximizan el área de superficie y el contacto de los electrodos con la corteza. Se pliega dentro de un cargador cilíndrico y se despliega usando un mecanismo de eversión que despliega suavemente cada brazo espiral sobre el tejido cerebral. La matriz de electrodos se probó con éxito en un minicerdo, y la neurotecnología blanda será ampliada por la empresa derivada de EPFL, Neurosoft Bioelectronics. Crédito: EPFL
Investigadores del Instituto Neuro X de la EPFL han desarrollado una matriz de electrodos corticales inspirados en robots suaves mínimamente invasivos que se pueden insertar a través de un pequeño orificio en el cráneo. La matriz cuenta con seis brazos en espiral para maximizar el área de superficie y se probó con éxito en un minicerdo. La tecnología será escalada por la spin-off de la EPFL, Neurosoft Bioelectronics.
La especialidad de Stéphanie Lacour es el desarrollo de electrodos flexibles que se adaptan a un cuerpo en movimiento, asegurando conexiones más confiables con el sistema nervioso. Su trabajo es inherentemente interdisciplinario.
Entonces, cuando un neurocirujano le pidió a Lacour y a su equipo que idearan electrodos mínimamente invasivos para insertarlos en un cráneo humano, se les ocurrió una solución elegante que aprovecha al máximo su experiencia en electrodos compatibles e inspirada en la actuación de la robótica blanda. Los resultados se publican en Robótica científica.
¿El desafío? Para insertar una gran matriz de electrodos corticales a través de un pequeño orificio en el cráneo, desplegando el dispositivo en un espacio de aproximadamente 1 mm entre el cráneo y la superficie del cerebro, sin dañar el cerebro.
«Las neurotecnologías mínimamente invasivas son enfoques esenciales para ofrecer terapias efectivas y personalizadas para el paciente», dice Stéphanie Lacour, profesora de EPFL Neuro X Instituto. “Necesitábamos diseñar una matriz de electrodos en miniatura que pudiera plegarse, pasar a través de un pequeño orificio en el cráneo y luego desplegarse sobre una superficie plana que descansa sobre la corteza. Luego combinamos conceptos de bioelectrónica blanda y robótica blanda.
Los científicos de la EPFL han desarrollado conjuntos de electrodos que se pueden enrutar a través de un pequeño orificio en el cráneo y desplegarlos en un área relativamente grande por encima de la corteza cerebral. La tecnología puede ser particularmente útil para proporcionar soluciones mínimamente invasivas para pacientes con epilepsia. Entrevista con Stéphanie Lacour y Sukho Song. Crédito: EPFL / Santuario de Hillary, Alain Herzog
Desde la forma de sus brazos en espiral hasta el despliegue de cada brazo sobre tejido cerebral altamente sensible, cada aspecto de este nuevo electrodo desplegable es ingeniería ingeniosa.
El primer prototipo consta de una matriz de electrodos que encaja en un orificio de 2 cm de diámetro, pero que, cuando se despliega, se extiende sobre un área de 4 cm de diámetro. Dispone de 6 brazos en forma de espiral, para maximizar la superficie de la guía de electrodos, y por tanto el número de electrodos en contacto con el córtex. Los brazos rectos dan como resultado una distribución desigual de los electrodos y menos área de superficie en contacto con el cerebro.
Al igual que una mariposa en espiral apretada con fuerza dentro de su capullo antes de la metamorfosis, el conjunto de electrodos, con sus brazos en espiral, está cuidadosamente doblado dentro de un tubo cilíndrico, es decir, el cargador, listo para desplegarse a través del pequeño orificio en el cráneo.
Stéphanie Lacour sostiene el electrodo desplegable, desarrollado en la EPFL. Crédito: EPFL / Alain Herzog
Usando un mecanismo de activación de eversión inspirado en la robótica suave, cada brazo espiral se despliega suavemente uno por uno sobre el tejido cerebral sensible. «La belleza del mecanismo de eversión es que podemos desplegar un tamaño arbitrario de electrodo con una compresión constante y mínima en el cerebro», dice Suhko Song, autor principal del estudio. “La comunidad de robótica blanda se ha interesado mucho en este mecanismo de eversión porque está bioinspirado. Este mecanismo de eversión puede imitar el crecimiento de las raíces de los árboles, y no hay límite para la cantidad de raíces de árboles que pueden crecer.
La matriz de electrodos en realidad parece una especie de guante de goma, con electrodos flexibles colocados en un lado de cada dedo en forma de espiral. El guante se invierte, o se da la vuelta, y se dobla dentro del cargador cilíndrico. Para el despliegue, se inserta líquido en cada dedo invertido, uno a la vez, girando el dedo invertido con el lado derecho hacia arriba a medida que se expande sobre el cerebro.
Song también exploró la idea de enrollar el brazo del electrodo como estrategia de despliegue. Pero cuanto más largo es el brazo, más grueso se vuelve cuando se enrolla. Si el electrodo en espiral se vuelve demasiado grueso, inevitablemente ocupará demasiado espacio entre el cráneo y el cerebro, lo que ejercerá una presión peligrosa sobre el tejido cerebral.
El patrón de electrodos se produce por evaporación de oro flexible sobre materiales elastoméricos muy flexibles.
Hasta ahora, la matriz de electrodos desplegables se ha probado con éxito en un minicerdo. La neurotecnología blanda ahora será escalada por Neurosoft Bioelectronics, un derivado de la EPFL del Laboratorio de interfaces bioelectrónicas blandas, que liderará su traducción clínica. La escisión recibió recientemente CHF 2,5 millones Swiss Accelerator de Innosuisse.
Las referencias:
“Despliegue de un sistema de electrocorticografía con un actuador robótico flexible” por Sukho Song, Florian Fallegger, Alix Trouillet, Kyungjin Kim y Stéphanie P. Lacour 10 de mayo de 2023, Robótica científica.
DOI: 10.1126/scirobotics.add1002
«Rejillas de electrocorticografía conformes y compatibles con MRI para la investigación traslacional» por Florian Fallegger, Giuseppe Schiavone, Elvira Pirondini, Fabien B. Wagner, Nicolas Vachicouras, Ludovic Serex, Gregory Zegarek, Adrien May, Paul Constanthin, Marie Palma, Mehrdad Khoshnevis, Dirk Van Roost , Blaise Yvert, Grégoire Courtine, Karl Schaller, Jocelyne Bloch y Stéphanie P. Lacour, 8 de marzo de 2021, Ciencias avanzadas.
DOI: 10.1002/advs.202003761
“Pautas para estudiar y desarrollar sistemas de electrodos blandos para la estimulación neural” por Giuseppe Schiavone, Xiaoyang Kang, Florian Fallegger, Jérôme Gandar, Grégoire Courtine y Stéphanie P. Lacour, 28 de octubre de 2020, neurona.
DOI: 10.1016/j.neurona.2020.10.010
«Controles neuroprotésicos barorreflejos de la hemodinámica después de una lesión de la médula espinal» por Jordan W. Squair, Matthew Gautier, Lois Mahe, Jan Elaine Soriano, Andreas Rowald, Arnaud Bichat, Newton Cho, Mark A. Anderson, Nicholas D. James, Jerome Gandar, Anthony V. Incognito, Giuseppe Schiavone, Zoe K. Sarafis, Achilleas Laskaratos, Kay Bartholdi, Robin Demesmaeker, Salif Komi, Charlotte Moerman, Bita Vaseghi, Berkeley Scott, Ryan Rosentreter, Claudia Kathe, Jimmy Ravier, Laura McCracken, Xiaoyang Kang, Ian Rigby , Steven K. Boyd, Philip J. Millar, Eduardo Martin Moraud, Marco Capogrosso, Fabien B. Fallegger, Ileana Jelescu, YunLong Cheng, Qin Li, Rick Buschman, Nicholas Buse, Tim Denison, Sean Dukelow, Rebecca Charbonneau, Ian Rigby, Steven K. Boyd, Philip J. Millar, Eduardo Martin Moraud, Marco Capogrosso, Fabien B. Wagner, Quentin Barraud, Erwan Bezard, Stéphanie P. Lacour, Jocelyne Bloch, Gregory Courtine y Aaron A. Phillips, 27 de enero Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-020-03180-w