Un microelectrodo de alta densidad para grabaciones neuronales humanas

El registro de la actividad del cerebro humano a muchas escalas es una herramienta importante en la medicina clínica. La capacidad de registrar los potenciales de acción extracelulares, también conocida como "actividad de una sola unidad" (SUA), ha proporcionado información fundamental sobre los detalles de la función neuronal en humanos, así como en una variedad de animales no humanos. En humanos, las técnicas para registrar los potenciales de acción extracelulares son relativamente limitadas. Las sondas rígidas de punta afilada fabricadas por varias empresas cuentan con la aprobación de la FDA y se utilizan habitualmente como parte de la atención estándar durante una variedad de procedimientos quirúrgicos, como la implantación de dispositivos de estimulación cerebral profunda (DBS) para identificar áreas de actividad neuronal y optimizar la colocación de electrodos clínicos. La misma técnica se ha utilizado para comprender mejor la función cerebral y su deterioro por la enfermedad en los seres humanos. Además, está disponible una variedad de técnicas de microalambres implantados semicrónicamente. Estos electrodos se usan más comúnmente en pacientes con trastornos convulsivos y han permitido conocer el comportamiento de la red, como en el lóbulo temporal medio y el lóbulo frontal medio.

Sin embargo, sigue existiendo una enorme brecha entre las capacidades de registro de los electrodos modernos utilizados en la investigación con animales y lo que actualmente está clínicamente disponible para las pruebas en humanos. Un electrodo único de eje rígido típico que se usa actualmente en la atención clínica registrará entre 1 y 3 neuronas claramente aisladas a la vez. Por el contrario, en la investigación con animales de última generación, las sondas de mayor densidad, como el electrodo Neuropixel [4-6], ahora permiten registrar de forma rutinaria cientos o incluso miles de neuronas en una sola región del cerebro. Esta capacidad de registro marcadamente mayor se traduce directamente en una mejor comprensión de cómo las neuronas y las redes cerebrales interactúan para crear comportamientos y enfermedades complejos. La mayoría de los electrodos de alta densidad de uso común se basan en un eje rígido de silicio en el que se incrustan múltiples contactos de registro (normalmente hechos de platino, iridio, oro o polímeros conductores). Existen varias limitaciones significativas de las sondas basadas en silicio para traducirlas a grandes cerebros, y en particular a aplicaciones humanas [7] En primer lugar, el silicio es frágil, lo que hace que los electrodos sean propensos a fracturarse, lo que los hace peligrosos para las aplicaciones humanas. Además, el proceso de microfabricación de silicio no es práctico para fabricar dispositivos grandes, lo que limita la longitud de la sonda disponible comercialmente a unos 20 mm, que es demasiado corta para la mayoría de las aplicaciones clínicas en el cerebro humano. Además, la conexión entre los contactos de los electrodos y el preamplificador en los productos actualmente disponibles requiere una placa de circuito rígida que se adjunta al electrodo, que es difícil de trabajar y que requiere que los preamplificadores se mantengan muy cerca de el cerebro. Si bien existen versiones aprobadas por la FDA de sondas de silicio (es decir, la matriz de Utah utilizada para interfaces cerebro-máquina), estas aplicaciones se limitan a sondas cortas de menos de 2 mm de longitud utilizadas para registros corticales superficiales. Las limitaciones inherentes del material y del proceso descritas hacen que sea poco probable que las tecnologías de sonda basadas en silicio proporcionen una sonda clínicamente utilizable para ubicaciones más profundas en el cerebro humano. Por lo tanto, los investigadores buscaron utilizar un nuevo tipo de tecnología traducible para uso clínico.

Los investigadores buscan probar una técnica más robusta y confiable para registrar un gran número de neuronas individuales en el cerebro humano. Diagnostic Biochips Inc. (Glen Burnie, MD) es un fabricante de electrodos que ha desarrollado un nuevo tipo de electrodo que consta de un eje de acero inoxidable y una serie de electrodos de alta densidad basados ​​en poliimida que se incrustan en este eje. Este tipo de diseño de electrodo ha demostrado ser muy fiable para penetraciones cerebrales profundas de hasta 8 cm de longitud en roedores y primates no humanos. El soporte de acero es muy robusto, lo que evita por completo los problemas de rotura asociados con los diseños de sonda de alta densidad basados ​​en silicio y otros. De manera similar, los electrodos a base de poliimida son un material que se sabe que no es biotóxico, que se tolera bien y forma parte de numerosos productos aprobados actualmente por la FDA. El electrodo DBC Deep Array está cableado directamente a un microprocesador Intan (Los Ángeles, CA) montado en el otro extremo del eje. Este microprocesador genera una señal digital, de modo que se puede utilizar una conexión larga entre el microprocesador y la unidad amplificadora Intan utilizada para registrar los datos, sin pérdida de señal ni adición de ruido. Esta característica es crucial para mejorar la seguridad del paciente y reducir cualquier riesgo de infección durante la grabación. El acero es rígido y no propenso a fracturarse como el silicio. Además, este tipo de electrodo puede hacerse significativamente más largo, simplemente usando un eje de acero inoxidable más largo para montar la matriz de poliimida de alta densidad. Mientras que los arreglos profundos de DBC actualmente fabricados que se utilizan en la investigación con animales tienen una longitud de 40-80 mm, una longitud de hasta 300 mm es fácilmente factible. Esto contrasta con la longitud máxima de 10 -20 mm que se puede lograr para los sistemas basados ​​en silicio y otros sistemas de alta densidad. Se requiere una longitud de >100 mm para sondear estructuras cerebrales profundas, como los ganglios basales en el cerebro humano, que se realiza de forma rutinaria en entornos clínicos. El electrodo DBC puede registrar hasta 1024 canales individuales simultáneamente. Los dispositivos DBC se han utilizado con éxito en primates no humanos y se han sometido a las pruebas de biocompatibilidad, citotoxicidad, esterilización y seguridad que se esperan para su uso en humanos. Todos los resultados de estas pruebas fueron aprobados y los informes resultantes se adjuntan a este protocolo.