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Computación

Un sensor neuronal implantable sin baterías

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Un diminuto chip de radio implantado en una mariposa nocturna capta la energía y detecta la actividad neuronal.

  • por Kate Greene | traducido por Francisco Reyes (Opinno)
  • 05 Noviembre, 2009

Gracias al cada vez menor tamaño de los componentes electrónicos, los investigadores han estado explorando el uso de dispositivos implantables cada vez más sofisticados, abriendo el camino a nuevas prótesis e interfaces cerebro-máquina. Sin embargo uno de los mayores retos ha sido el de llevar la energía hasta estos componente electrónicos colocados dentro del cuerpo.

Los ingenieros eléctricos de la Universidad de Washington acaban de desarrollar un chip sensor neuronal que necesita menos energía. Otros dispositivos médicos inalámbricos, tales como los implantes de retina o los cocleares, dependen del emparejamiento inductivo, lo que significa que la fuente de alimentación tiene que estar a centímetros de distancia. La nueva plataforma de sensor, llamada NeuralWISP, obtiene la energía de una fuente de radio que puede colocarse hasta a un metro de distancia..

El dispositivo contiene un microprocesador cuya energía proviene de un lector comercial de radio frecuencia que también hace las veces de dispositivo de recolección de datos. El mismo equipamiento se utiliza para proporcionar energía y leer la información proveniente de las etiquetas de identificación por radio frecuencia (RFID, en inglés). Durante los experimentos, los investigadores utilizaron el nuevo dispositivo para detectar la actividad del sistema nervioso central de una mariposa nocturna y así poder estudiar su movimiento.

Recientemente se han dado varios avance a la hora de reducir el tamaño de los implantes neuronales, sin embargo la mayoría de los dispositivos implantables son relativamente problemáticos. Este tipo de dispositivos normalmente requieren el uso de múltiples componentes—tales como un reloj para controlar las operaciones y una antena para las comunicaciones y la captura de energía—que son bastante grandes en comparación con los transistores del microcontrolador, afirma Brian Otis, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Washington e investigador principal en NeuralWISP.

“Puedes colocar millones de transistores en un chip con un tamaño menor a un milímetro cúbico de volumen, pero el problema viene con las piezas adicionales,” afirma Otis. “Nuestro objetivo es reducir todo e incluirlo en un único chip, y reducir el consumo de energía de estos componentes para que el chip se pueda alimentar de forma inalámbrica.”

El NeuralWISP es una colección de componentes más pequeños y que requieren menos energía, tales como un amplificador de señal especializado, sobre una placa de circuito de poco más de dos centímetros de largo. Una versión futura integrará todos los componentes en un único chip de un milímetro por dos milímetros de tamaño. El circuito convierte la energía utilizable del lector—apenas 430 microvatios—en un voltaje capaz de encender el microcontrolador. Por su parte, el microcontrolador controla el sensor y el temporizador, y ejecuta las instrucciones que permiten que los datos se envíen de vuelta al lector.

Una de las principales formas de ahorrar energía, afirma Otis, consistió en reducir la frecuencia con la que el sensor medía las señales eléctricas producidas por las neuronas. Los investigadores programaron el microcontrolador para “despertar” cada vez que se producía una subida eléctrica, y para sólo registrar las señales que estaban por encima de cierto nivel. “Los neurocientíficos están interesados en la cuota de registros más altos,” afirma Otis. “No digitalizamos toda la onda cerebral.”

Además de una serie de consideraciones de diseño de circuitos de bajo consumo energético, los investigadores construyeron un pequeño amplificador de señal que aumenta la señal eléctrica de las neuronas al tiempo que minimiza el ruido eléctrico. Para ello, dividieron la señal entrante en dos partes. La cantidad de electricidad entrante de la actividad neuronal es la misma, pero al dividirla entre un par de transistores dentro del circuito, la cantidad de ruido se divide en dos.

En el experimento con la mariposa, los investigadores pusieron a prueba el sistema sin baterías mediante la recolección de datos a partir de las señales eléctricas de los músculos de las alas. Las pruebas mostraron la frecuencia con la que la mariposa batía las alas. Los resultados están publicados en la revista IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems; los investigadores también discutieron el trabajo durante la cumbre de Identificación Inalámbrica y Plataformas Sensoras (WISP) en Berkeley, California, el pasado martes. El sistema actual es demasiado grande como para permitir que la mariposa vuele libremente. No obstante, un chip de próxima presentación en febrero será lo suficientemente pequeño como para permitir vuelos sin problemas, afirma Otis.

“La mayoría de los dispositivos implantables han estado utilizando frecuencias más bajas,” afirma Josh Smith, ingeniero principal en Intel y organizador de la Cumbre WISP. Una frecuencia más baja también significa que los dispositivos tienen que leerse dentro de un rango más cercano, añade. Al utilizar lectores RFID comerciales, afirma Smith, se permite que el dispositivo obtenga energía y se pueda leer a más distancia. Sin embargo, afirma que aún es una cuestión por resolver si la antena mantendrá el largo alcance una vez que se implante en el tejido del animal, puesto que la señal podría ser absorbida. “Medir mariposas va muy bien con este método, puesto que la antena no tiene que colocarse dentro del tejido del animal,” señala.

Arto Nurmikko, profesor de ingeniería en Brown, está de acuerdo y señala que es útil para medir la actividad neuronal en las mariposas, “pero los retos reales y el potencial de la aplicación saldrán a luz cuando se prueben con primates.”

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