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Un minúsculo chip de radio implantado en una polilla monitorea la actividad neuronal y obtiene su alimentación por sí mismo

Gracias a la reducción del tamaño de la electrónica, los investigadores han estado explorando dispositivos implantables cada vez más sofisticados, allanando el camino para nuevas prótesis e interfaces cerebro-máquina.

Sin embargo, el gran reto era la forma de alimentar los componentes electrónicos integrados en el cuerpo.

Este amplificador neural de baja potencia recoge las señales eléctricas de los nervios y reduce el ruido eléctrico. Crédito: Brian Otis, de la Universidad de Washington

Ahora ingenieros eléctricos de la Universidad de Washington han desarrollado un chip sensor neural implantable que necesita menos energía. Otros dispositivos inalámbricos médicos, tales como los implantes de cóclea o de retina, se basan en el acoplamiento inductivo, es decir, con una fuente de alimentación colocada a centímetros de distancia. El sistema de este nuevo sensor, denominado NeuralWISP, obtiene la energía de una fuente de radio ubicada hasta a un metro de distancia.

El dispositivo contiene un microprocesador alimentado por un lector comercial de radiofrecuencia de que además cumple la función de recoger los datos. Este mismo equipo se utiliza para alimentar y leer la información en los dispositivos de identificación por radiofrecuencia (RFID). En los experimentos, los investigadores utilizaron el nuevo dispositivo para detectar la actividad del sistema nervioso central en una polilla con el fin de estudiar su locomoción.

Recientemente, hubo algunos avances en la reducción del tamaño de los implantes neuronales, pero la mayoría de los dispositivos implantables todavía son relativamente engorrosos. Estos dispositivos necesitan múltiples componentes —como un reloj para las operaciones de sincronización y una antena para la comunicación y para recoger la energía de alimentación—, elementos que son bastante grandes en comparación con los transistores del microcontrolador, dice Brian Otis, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Washington y principal investigador en NeuralWISP.

“Usted puede poner millones de transistores en un chip de menos de un milímetro cúbico de volumen, pero el problema son las partes extra”, dice Otis. “Nuestro objetivo es reducir todo en un solo chip y reducir el consumo de energía de estos componentes de manera que el chip puede ser alimentado de manera inalámbrica.”

El NeuralWISP es una colección de componentes más pequeños, de menor potencia, como un amplificador de señal especializado, en un circuito de pequeño tamaño. Una versión futura integrará todos los componentes en un solo chip de un milímetro por dos milímetros. El circuito convierte la energía que le llega desde lector —aproximadamente 430 microvatios— en una tensión que puede activar el microcontrolador. Este microcontrolador, a su vez, controla el sensor y su temporizador, y ejecuta las instrucciones que permiten que se envíen los datos hacia al lector.

Aleteo libre: Esta mariposa nocturna, sostenida en un 'arnés', está conectada al sistema de detección neural, que registra la actividad de su sistema nervioso central mientrasr bate sus alas. Crédito: Brian Otis, de la Universidad de Washington

Una de las principales formas de ahorrar energía, dice Otis, fue reducir el rirtmo de medición del sensor de las señales eléctricas producidas por las neuronas. Los investigadores programaron el microcontrolador para “despertar” cuando se presenta un pico eléctrico, y grabar entonces sólo las señales por encima de un determinado umbral. “Los neurocientíficos están interesados en el ritmo de los picos”, dice Otis. “No digitalizamos toda la onda cerebral”.

Además de un puñado de consideraciones en el diseño de baja potencia del circuito, los investigadores construyeron un pequeño amplificador de señal que aumenta la señal eléctrica de las neuronas y reduce al mínimo el ruido eléctrico. Para esto, se divide la señal entrante en dos partes. La cantidad de electricidad que llega desde la actividad neural es la misma, pero al dividirla en un par de transistores dentro del circuito, la cantidad de ruido se reduce a la mitad.

En el experimento de la polilla, los investigadores probaron este sistema sin batería recopilando datos de las señales eléctricas de los músculos de las alas de la polilla. Las pruebas mostraron a qué frecuencia agitaba las alas la polilla. Los resultados se publican en la revista IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, los investigadores también examinaron la labor en una cumbre de Wireless Identification and Sensing Platforms (WISP) en Berkeley, California, el martes. El sistema actual aún es demasiado grande como para que la polilla pueda volar libremente, pero un chip que estará listo muy pronto, en febrero, será lo suficientemente pequeño para permitir que no quede comprometido el vuelo, dice Otis.

“La mayoría de los dispositivos implantables han utilizado frecuencias más bajas”, dice Josh Smith, Director de Ingeniería de Intel, y organizador de la Cumbre de WISP. Una frecuencia más baja significa, también, que los dispositivos se deben leer a corta distancia, añade. La utilización de lectores RFID comerciales, dice Smith, permite alimentar y leer los datos del desde más lejos. Sin embargo, él dice que todavía es una cuestión abierta si la antena va a mantener un largo alcance una vez que se la implante en el tejido animal, ya que puede ser que la señal reulte absorbida. “La medición en polillas de es una buena aproximación para este enfoque, ya que la antena no tiene que ir dentro del tejido del animal,” dice.

Arto Nurmikko, profesor de ingeniería en la Universidad Brown, está de acuerdo, y dice que es útil para medir la actividad neuronal en las polillas”, pero que los verdaderos retos y potencial de aplicación están en el trabajo con los primates”.

Fuente: Technology Review. Aportado por Eduardo J. Carletti


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