Stentrodes: un método para insertar electrodos cerebrales sin cirugía invasiva

Cuando pensamos en interfaces cerebro-computadora (BCI) que usan electrodos, generalmente pensamos en conjuntos Utah que se colocan directamente en el cerebro durante una cirugía cerebral abierta, o con electrodos delgados adheridos al cerebro expuesto como prevé Neuralink. Si bien los arreglos de Utah y el cine como concepto práctico se remontan a la década de 1980, un concepto más nuevo llamado Stentrodes (arreglo de electrodos de stent) busca eliminar la necesidad de una cirugía cerebral invasiva.

Como sugiere el nombre, este método utiliza stents que se insertan a través de los vasos sanguíneos, donde se expanden y luego se colocan firmemente dentro del vaso sanguíneo dentro del cerebro. Debido a que cada uno de estos stents también tiene una matriz de electrodos, se pueden usar para registrar la actividad neuronal en grupos neuronales cercanos, así como para inducir actividad mediante estimulación eléctrica.

Debido al hecho de que los stents ya se usan a menudo solos en los vasos sanguíneos del cerebro y la naturaleza relativamente benigna de estos conjuntos de electrodos, el comité de ética de Australia ya aprobó los ensayos en humanos en 2018. A pesar de las preocupaciones persistentes sobre la solución potencial y la eficacia de este enfoque, podría ofrecer esperanza a millones de personas que sufren parálisis y otras afecciones.

Uso de la infraestructura existente

Arterias del cerebro.  (Crédito: MedlinePlus, NIH)
Arterias del cerebro. (Crédito: MedlinePlus, NIH)

El cerebro humano es, de todos los órganos del cuerpo, el que más depende de un suministro constante de oxígeno y nutrientes para funcionar y sobrevivir, y por lo tanto tiene una red muy densa de vasos sanguíneos que inervan cada parte. Si bien muchos de estos vasos sanguíneos son demasiado estrechos para intervenciones médicas como la colocación de stents cerebrovasculares, comenzando con las arterias y venas yugulares, gran parte de la vasculatura del cerebro es accesible.

En el caso del Stentrode, se utiliza un enfoque similar al de un stent convencional, con un cable guía que guía el dispositivo a su posición a través de la vena yugular y monitoreo externo para garantizar que llegue a la ubicación adecuada antes del despliegue. En el transcurso de varias semanas, el stent se ancla por completo al interior del vaso sanguíneo, donde puede permanecer casi indefinidamente para brindar soporte mecánico o cualquier otra función que se necesite.

Mientras que para el tratamiento de condiciones cerebrovasculares usando stents, no hay duda de por qué querría usar este enfoque, ya que el único objetivo es colocar un stent de apoyo dentro de un vaso sanguíneo, en el caso de una serie de electrodos que se supone que interactúan. con las neuronas cerebrales existe la pregunta de por qué querría elegir este enfoque.

Cuerda de Utah de la patente de Richard Normann. Esta parte va a tu cerebro.

La respuesta obvia es que implica una cirugía no invasiva, sin abrir el cráneo, y un pequeño riesgo de complicaciones como inflamación cerebral y otros efectos adversos que pueden resultar de una cirugía cerebral invasiva. Esto lo hace muy diferente del enfoque estándar de matriz de Utah (o microelectrodos), así como de las matrices de electrodos propuestas por Neuralink. En teoría, los stentrods podrían colocarse bajo anestesia local, con un tiempo de recuperación prácticamente nulo después.

Si bien las ventajas aquí son obvias, la pregunta sigue siendo cómo funcionan los Stentrodes en comparación con otros conjuntos de electrodos y si los Stentrodes representan un riesgo a largo plazo en términos de coagulación sanguínea y problemas cardiovasculares similares, debido a la necesidad de que los conductores pasen a través de ellos. venas cerebrales para conducir señales hacia y desde la matriz.

Verificación del estudio

La primera investigación de estas matrices de electrodos de stent endovascular se llevó a cabo en la década de 1970 (Penn et al., 1973), con Soldozy et al. (2020) dando una revisión sistemática de la literatura en Diario de Neurocirugía. Como señalaron Bower et al. (2013), los implantes neurales tradicionales requieren cirugía transcraneal, mediante perforación o craneotomía (elevación de parte del cráneo), lo que limita el atractivo del uso de implantes intracraneales.

En Bower et al. estudio, comparó electrodos intravasculares con electrodos subdurales, encontrando una respuesta de registro similar a la actividad epiléptica inducida para ambos. En Opie et al. (2016) estudio de prueba de concepto Se utilizaron implantes Stentrode para estimular partes de la corteza motora de ovejas con una corriente de 4 mA -6 mA.

A: Diagrama del cerebro de una oveja que muestra la corteza motora (rojo) y las representaciones somatotópicas de las extremidades posteriores (amarillo), las extremidades anteriores (verde), la cabeza y los ojos (azul) y los músculos faciales (púrpura).  B: venograma de una oveja con contraste que resalta los vasos corticales.  La estrella indica la ubicación deseada de la punta del stent en A y B. Barra = 2 cm.  C: Matriz de stent-electrodos (Stentrodes) dentro de un catéter de colocación de 1,04 mm de diámetro interno antes del despliegue.  Barra = 1 cm.  D: Stentrode completamente extendido.  Republicado con autorización de IOP Publishing, Ltd, de Chronic impedance spectroscopia de una matriz de electrodos de stent endovascular: Opie NL, John SE, Rind GS, et al., J Neural Eng 13(4): 046020, 2016.
Y: Diagrama del cerebro de una oveja que muestra la corteza motora (rojo) y las representaciones somatotópicas de las extremidades posteriores (amarillo), las extremidades anteriores (verde), la cabeza y los ojos (azul) y los músculos faciales (púrpura). B: Venograma de contraste de una oveja con vasos corticales prominentes. La estrella indica la ubicación deseada de la punta del stent en A y B. Barra = 2 cm. C: Una matriz de stent-electrodo (Stentrode) dentro de un catéter de colocación con un diámetro interno de 1,04 mm antes del despliegue. Barra = 1 cm. D: Stentrode completamente extendido. Republicado con autorización de IOP Publishing, Ltd, de Chronic impedance spectroscopia de una matriz de electrodos de stent endovascular: Opie NL, John SE, Rind GS, et al., J Neural Eng 13(4): 046020, 2016.

En un estudio con dos ovejas que tenían stentrods solos o stentrods más implantes subdurales y epidurales en cualquiera de los hemisferios del cerebro, Forsyth et al. (2019) encontraron que la precisión de determinar el movimiento de las ovejas a partir de los datos registrados era tan buena, si no mejor, con Stentrode solo. Junto con los resultados de, por ejemplo, John et al. (2019) que vieron un estudio similar, esto sugiere que Stentrodes puede ser un implante de IMC viable.

Esto deja en su mayor parte la cuestión de las implicaciones a largo plazo de pasar cables a través de estos vasos sanguíneos, especialmente en términos de coagulación y otras complicaciones potencialmente fatales. En el metanálisis, la duración máxima del estudio con ovejas vivas fue de 190 días. Al final del estudio, las ovejas fueron sacrificadas y se realizó una autopsia para evaluar el estado de los implantes.

Los dispositivos utilizados están hechos de Nitinol, que parece tener una buena biocompatibilidad y se ha observado que induce una cobertura de neoíntima in vivo, que estabiliza y ancla el material en la pared del vaso. Es probable que también prevenga los coágulos de sangre, aunque se necesitan estudios a largo plazo para sacar una conclusión firme aquí.

Sujetos humanos

Array de stentrod con unidad transceptora.  (Crédito: Synchron Medical, Inc.)
Array de stentrod con unidad transceptora. (Crédito: Synchron Medical, Inc.)

Como se señaló anteriormente, la naturaleza mínimamente invasiva del implante Stentrode y su compatibilidad con las técnicas y los dispositivos médicos aprobados existentes han permitido que se pruebe en humanos. La empresa que comercializa Stentrode, Synchron Medical, está realizando actualmente ensayos clínicos en varios lugares de Australia. Este estudio está dirigido a personas que hayan sufrido una lesión o padezcan alguna afección que les impida el pleno uso de sus extremidades.

Usando lo que Synchron llama una neuroprótesis motora, a estos sujetos se les implantan stentrods que registrarán la actividad en su corteza motora y eventualmente restaurarán el control muscular en las extremidades del paciente. Dado que el estudio solo comenzó en junio de 2022, pasará hasta finales de 2023 antes de que se espere que el estudio produzca resultados sobre si este es un tratamiento viable para las personas que sufren de parálisis pero que aún tienen una corteza motora en funcionamiento.

Hay más detalles disponibles en el sitio web de Synchron, que enumera los ensayos clínicos pasados, actuales y futuros. El ensayo clínico que acaba de comenzar sigue al ensayo Switch 1, que confirmó la biocompatibilidad del dispositivo en humanos. El ensayo clínico Command parece ser similar al ensayo Switch 2, pero se lleva a cabo en los EE. UU. Los sujetos de prueba tienen un dispositivo Stentrode y un transceptor implantado en su pecho, y la comunicación con el transceptor aparentemente se realiza a través de Bluetooth.

No hay bala de plata

Al igual que con todas las interfaces cerebro-máquina, sigue siendo importante comprender las limitaciones de la tecnología actual. Uno de los aspectos principales de la mayoría de los dispositivos de registro de la actividad cerebral que se utilizan actualmente en los ensayos clínicos es que son unidireccionales. Por ejemplo, leen la actividad en la corteza motora y utilizan estos datos para interpretar la acción prevista y realizar movimientos de las extremidades. Sin embargo, la entrada sensorial de la parte del cuerpo que se manipula no regresa a la corteza sensorial del paciente, sino que termina en la médula espinal o donde sea que comience la discontinuidad.

Esto es algo que también está abordando la investigación actual, pero el desafío sigue siendo proporcionar una interfaz sólida entre los sistemas computacionales y la naturaleza volátil de los sistemas biológicos. Idealmente, podríamos proporcionar un mapeo 1: 1 entre la corteza motora y el músculo, y desde el sensor hasta las partes del cerebro que procesan el tacto y otras entradas sensoriales, para restaurar la funcionalidad biológica completa.

Lo que es alentador, sin embargo, es ver que se están utilizando y desarrollando enfoques múltiples, diferentes y tal vez complementarios. Incluso si todavía no tenemos una manera perfecta de revertir los estragos de las lesiones y enfermedades, con un esfuerzo continuo encontraremos formas de resolver los problemas restantes. Independientemente de si la mejor solución resulta ser terapias regenerativas totalmente eléctricas para los tejidos restantes o una combinación de ellas, la mejora en la calidad de vida que brindan estas terapias hace que valga la pena seguirlas.

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