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Aug 05, 2023

Sistema de sonda espinhal minúsculo e flexível pode levar a melhores terapias

A medula espinhal é mais difícil de acessar e estudar do que o cérebro. Os desafios colocados pela sua mobilidade e estrutura anatómica dificultaram a compreensão exacta do seu funcionamento. Arroz

A medula espinhal é mais difícil de acessar e estudar do que o cérebro. Os desafios colocados pela sua mobilidade e estrutura anatómica dificultaram a compreensão exacta do seu funcionamento.

Os engenheiros da Rice University trabalharão com colaboradores para otimizar uma série de fios nanoeletrônicos, ou NETs - já usados ​​com sucesso para coletar dados de alta fidelidade e de longo prazo de neurônios no cérebro - para uso na coluna vertebral, financiados por US$ 6,25 milhões, quatro Bolsa de um ano do National Institutes of Health.

Além dos registros da atividade neuronal, as sondas NET podem fornecer estimulação localizada e sintonizável de neurônios adjacentes. Os neuroengenheiros do Rice também esperam maximizar a largura de banda funcional dos NETs, ​​integrando-os em um sistema de processamento de dados de maior escala.

A nova ferramenta poderá ajudar os neurocientistas a desvendar os segredos da função da medula espinhal e trazer uma nova esperança aos pacientes que lidam com lesões e outras condições médicas associadas.

“Até agora, não tivemos uma boa compreensão de como os neurônios da medula espinhal realmente funcionam”, disse Chong Xie, principal investigador da bolsa e professor associado de engenharia elétrica e de computação e neuroengenharia. “Por exemplo, se você move os braços ou anda, você tem a intenção em seu cérebro e os músculos funcionam exatamente como você deseja. Essa conversão da intenção inicial em movimentos específicos de cada um dos músculos é operada e implementada na medula espinhal, onde circuitos compostos por muitos neurônios são responsáveis ​​por realizar esse trabalho. Mas não sabemos exatamente como isso é alcançado.”

O uso de eletrodos para rastrear a atividade neuronal no cérebro permitiu que os neurocientistas aprendessem muito sobre a função cerebral. As sondas NET flexíveis desenvolvidas por Xie e colaboradores integram-se perfeitamente ao tecido cerebral e têm melhor desempenho do que sondas rígidas quando usadas para registrar informações elétricas de neurônios individuais no cérebro.

Testes preliminares mostraram que as sondas NET podem obter registros de alta qualidade e longa duração de neurônios da medula espinhal de camundongos. No entanto, os cientistas pretendem adaptar ainda mais os NETs às exigências estruturais e funcionais específicas da medula espinal.

No cérebro, a distribuição dos neurônios, ou substância cinzenta, e dos feixes de fibras nervosas conhecidos como substância branca é exatamente o inverso da anatomia da medula espinhal.

“Normalmente nos referimos a isso como a 'anatomia de dentro para fora' da medula espinhal”, disse Lan Luan, professor assistente de engenharia elétrica e de computação e co-investigador da bolsa. “A camada externa do cérebro – a substância cinzenta – é onde estão os neurônios, enquanto as fibras chamadas substância branca estão no interior. Na medula espinhal, a substância branca ou fibras ficam na parte externa, protegendo os neurônios. Isso torna o acesso a esses neurônios mais desafiador.”

Para garantir um melhor acesso, os cientistas planeiam desenvolver um design de sonda que seja suficientemente pequeno para ser implantado em diferentes locais da coluna vertebral, mas que tenha uma maior cobertura de profundidade e canais suficientes para capturar dados de neurónios numa secção transversal da medula espinal.

Outro objetivo é equipar as sondas com capacidades de estimulação além da função de gravação.

“O eletrodo pode fazer as duas coisas”, disse Luan. “Isso tem relevância direta para a saúde, porque para pacientes com lesão medular ou outros tipos de lesões, a estimulação pode ser uma forma de restaurar o controle motor fino. Existem várias tecnologias de muito sucesso que demonstram que a estimulação na medula pode restaurar os movimentos locais. Mas para impactar um controle motor mais fino, acreditamos que precisamos entrar no cordão e ter um maior grau de acesso e precisão para aplicar esta estimulação.”

A medula espinhal desempenha um papel significativo nos processos de dor, portanto, identificar quais neurônios espinhais estão diretamente envolvidos na transmissão do sinal de dor poderia abrir a porta para melhores terapias de controle da dor.

“Identificar o tipo específico de neurônios espinhais que desempenham um papel significativo no processamento de informações sobre a dor poderia potencialmente permitir o desenvolvimento de medicamentos direcionados precisamente a essas células”, disse Xie. “Ou talvez possamos usar os eletrodos para estimular esses neurônios e modular sua atividade para que não transmitam o sinal de dor ao cérebro.”