Tecnologia de inspiração biológica pode um dia levar a um olho biônico

 Tecnologia de inspiração biológica pode um dia levar a um olho biônico

Um novo design para implantes oculares e cerebrais inspira-se na natureza.

Os pesquisadores da UO cultivaram neurônios da retina de roedores em um eletrodo com padrão fractal, que imita o padrão de ramificação repetido no qual os neurônios crescem naturalmente. É um passo mais perto de fazer um olho biônico de inspiração biológica, um objetivo de longa data para o físico da UO Richard Taylor.

Taylor espera que os minúsculos eletrodos possam um dia ser implantados no olho para restaurar a visão em pessoas com degeneração macular ou outros distúrbios da visão.

O novo trabalho fornece evidências experimentais que apoiam um palpite que sua equipe vem perseguindo há anos, de que os neurônios, que são fractais, se conectarão melhor a um eletrodo com padrão fractal do que a eletrodos de formato mais tradicional, permitindo uma melhor transmissão de sinal entre o implante. e o cérebro.

Taylor e seus colegas relatam suas descobertas em um artigo publicado em 6 de abril na revista PLOS One.

“A razão pela qual estou tão empolgado é que este artigo contém três anos de dados que exploram o que acontece quando essas células da retina interagem com um eletrodo fractal”, disse ele.

Os implantes neurais têm um brilho futurista, mas já estão sendo usados ​​para ajudar pessoas com doenças que vão desde a doença de Parkinson até lesões na medula espinhal. Um chip que estimula um ponto específico dentro do cérebro pode ajudar a reduzir os tremores ou até mesmo restaurar a capacidade de se mover, falar ou ver.

Para enviar sinais com sucesso ao cérebro ou ao olho, um eletrodo implantado precisa ser capaz de se conectar a uma rede de neurônios existentes. Os neurônios crescem naturalmente em um padrão fractal semelhante a uma árvore, levando a ramos cada vez mais finos.

A maioria dos eletrônicos não tem esse formato; eles são projetados para uso dentro de máquinas, não em seres vivos. Em vez disso, pensou Taylor, por que não persuadir os neurônios a se conectarem a um eletrodo em um padrão que se encaixe em sua tendência?

“Você quer que os neurônios se conectem para serem estimulados; esse é o objetivo final no projeto de qualquer tipo de eletrodo”, disse Saba Moslehi, pesquisadora de pós-doutorado no laboratório de Taylor. “E quando dois objetos têm características muito semelhantes, eles terão mais tendência a interagir em comparação com objetos que têm características completamente diferentes.”

Taylor, um físico especializado em fractais, apresentou a ideia a uma competição de pesquisa em ciências da vida em 2014. Para sua surpresa, ela superou quase mil ideias concorrentes. E desde então, com a ajuda dos professores da UO Benjamin Aleman e Cris Niell e colaboradores da Universidade de Lund, na Suécia, seu grupo vem explorando seu potencial.

Em estudos anteriores, eles realizaram simulações de computador que sugeriram que os eletrodos com padrão fractal seriam mais eficazes do que as formas tradicionais de eletrodos. Então, para testar a ideia experimentalmente, a equipe da UO usou eletrodos feitos de chips de silício lisos com ramificações feitas de nanotubos de carbono estampados na superfície do chip.

Os neurônios preferem se conectar aos nanotubos texturizados, para que os pesquisadores possam controlar onde os neurônios se conectarão ao eletrodo, modificando o mapa de nanotubos em sua superfície.

Moslehi, juntamente com os estudantes de doutorado Conor Rowland e Julian Smith, usaram as instalações do Centro de Caracterização de Materiais Avançados da UO em Oregon para criar nanotubos de carbono à base de silício dispostos em um padrão fractal com a forma de uma letra H repetida.

Para comparação, eles também fizeram chips com os nanotubos dispostos em linhas paralelas, um desenho que pode ser visto em um chip de eletrodo comercialmente disponível.

Em seguida, eles rastrearam como os neurônios da retina de camundongos cresceram nos chips, usando células cultivadas em uma placa de Petri.

Os neurônios se ligaram mais predominantemente aos ramos fractais texturizados do que às lacunas suaves entre os ramos, mostrou o experimento. E as glias, importantes células de suporte para os neurônios, compactadas firmemente nas lacunas lisas. O desenho fractal foi o mais eficaz nessa ‘reunião’ de neurônios e glia.

“A coisa realmente inteligente é que conseguimos colocar as células gliais nas lacunas”, disse Taylor. “Glia é o sistema de suporte de vida dos neurônios, e precisamos induzir interações favoráveis ​​tanto com os neurônios quanto com as células gliais”.

O trabalho ainda está em estágio inicial, enfatizou Taylor. A execução de testes em animais exigirá testes adicionais de engenharia e segurança. Mas, eventualmente, os pesquisadores esperam que seu design se transforme em um dispositivo do mundo real que possa ajudar pessoas com perda de visão.

E os eletrodos com padrão fractal e bioinspirados podem ter usos na pesquisa de implantes cerebrais além do olho biônico.

“Acho que isso pode ajudar não apenas o sistema que testamos, mas também os implantes em outras partes do sistema nervoso”, disse Moslehi. “Espero ver mais pesquisadores avançando para o uso de eletrodos fractais em vez de padrões comerciais.”

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helena

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