Implante de microeletrodos intracerebrais: presente, futuro e desafios.

Thursday, 19 de September de 2019
   
                 

  O implante de microeletrodo intracerebral é coonsiderado um método de aquisição invasivo, ou seja, é necessário um procedimento cirúrgico para seu implante.  Eles possuem uma ampla utilização em diversas áreas da neurociência, envolvendo desde a captação da atividade elétrica cerebral (para o uso de estudos do comportamento elétrico cerebral e interface cérebro-máquina, por exemplo) até  eletroestimulação  (como neuromodulação ou a indução de lesões elétricas no processo de simulação de doenças, por exemplo). Aqui vamos discutir cada uma dessas aplicabilidades e seus respectivos desafios. 


     A eletrofisiologia voltada para o sistema nervoso envolve técnicas de aquisição de sinais cerebrais extra-celulares,  como os potenciais de ação (spikes) que é uma inversão do potencial de membrana de um neurônio gerando um imulso elétrico, ou Local Field Potencial (LFP), que está relacionado com a atividade elétrica de grupo de neurônios localizados próximo o eletrodo. Assista o video abaixo e entenda melhor sobre eletrofisiologia. Logo, esses tipos de sinais oferecem um tipo de aplicabilidade mais específico e precisas quando comparadas com outras técnicas como a eletroencefalografia (EEG) e o eletrocorticografia (Ecog), já que os microeletrodos estão mais próximos da fonte do sinal, o neurônio. Além disso, o sinal captado pelo microeletrodo é menos ruidoso quando comparado a essas outras técnicas pelo mesmo motivo (maior resolução espacial e temporal). Entretanto, trabalhos mostram que ao longo do tempo, o sinal captado pelo microeletrodo se torna mais ruidoso e instável por volta de 6 meses após o implante. Tudo isso acontece por uma falha na biocompatibilidade do aparato, pois após o implante de microeletrodo, células de defesa do do Sistema Nervosos Central como a micróglia e os astrócitos, responsáveis pelo processo de encapsulamento do eletrodo, onde é formada uma barreira fibrótica (imagem do lado) em volta do mesmo, dificultando a passagem do sinal elétrico do tecido para o eletrodo.  Esse processo pode dificultar trabalhos de investigação desse tipo de atividade elétrica cerebral por longos períodos ou na implementação de Interfaces cérebro-máquinas (ICMs), que é um método que enviam padrões específicos de sinais eletrofisiológicos cerebrais para um equipamento externo, como próteses robóticas por exemplo, a fim de controlá-las. Porém, por causa desses impasses, às ICMs invasivas ainda não são aplicadas em seres humanos no meio clínico. Para resolução desse tipo de problema, é imprescindível desenvolvimento de novos trabalhos na área de biocompatibilidade. Por enquanto a ciência não avança nesse ponto, é importante utilizar microeletrodos que forneçam melhor biocompatibilidade do mercado (NevroTech) (Imagem 1). Além disso, também é importante equipamentos que ofereçam máximo de precisão na cirurgia de implante, como estereotáxicos eletrônicos (Neurostar)  a fim de diminuir a lesão mecânica direta durante o implante, e aparelhos de aquisição que diminuam o máximo o ruído do sistema (Blackrock Microsystems) (Imagem 2).
                                                    
                

        
                  
                                              
          

     Já a eletroestimulação (Blackrock Microsystems), é envio de corrente elétrica para o microeletrodo com o propósito de restaurar a atividade de alguma área cerebral específica que possui algum tipo de déficit celular, como ocorre em algumas doenças neurológicas. Isso acontece, por exemplo, em pacientes que possuem doença de Parkinson, onde ocorre a morte de neurônios dopaminérgicos na região conhecida como via nigro-estriatal, ocasionando uma desordem na passagem do sinal do córtex motor para o restante do SNC, fazendo com que o paciente apresente déficits motores, como tremor de repouso e dificuldade de realizar a marcha. Porém, com a estimulação cerebral profunda (Deep brain Stimulation) por meio do implante de microeletrodo, o paciente apresenta uma melhora significativa desses sinais e sintomas (Vídeo abaixo). Alem do implante de microeletrodos, esse método também conta com o implante de um gerador responsável por fornecer a estimulacao elétrica. Nesse momento você pode está se perguntando se o mesmo problema de biocompatibilidade que ocorre com microeletrodos de  registro, também não acontece nesse caso ao longo do tempo. A resposta é sim, porém podemos alterar parâmetros da corrente elétrica fornecida, como a intensidade, amplitude e comprimento deonda. Com essa potencialização dos parametros, a corrente consegue ultrapassar barreira da cicatriz glial e atingir as células alvo. Dessa forma, esse tipo de tecnologia já é aplicada em seres humanos no meio clínico e os eletrodos apresentam um tempo de vida aproximadamente entre 10 a 15 anos após o implante. Entretanto, para algumas patologias neurológicas como esquizofrenia e Alzheimer , estudos ainda estão sendo desenvolvidos para investigar a definição de melhores parâmetros e aparatos, já que o espectro dessas doenças são variados e mais complexos. Além disso, muitos trabalhos em modelos animais se mostram controversos em relação aos efeitos inflamatórios ou anti-inflamatórios da eletroestimulação, o que pode ser muito importante já que estamos falando de doenças neurodegenerativas. Também, A eletroestimulação também pode ser usada a indução de lesão cerebral em modelos animais para simular algum tipo de doença. Para isso, é alterado os parâmetros da corrente para parâmetros nocivos celular.                                              
                        

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Referências:

Jorfi, Mehdi, et al. "Progress towards biocompatible intracortical microelectrodes for neural interfacing applications." Journal of neural engineering 12.1 (2014): 011001.

Prasad, Abhishek, et al. "Abiotic-biotic characterization of Pt/Ir microelectrode arrays in chronic implants." Frontiers in neuroengineering 7 (2014): 2.

Odekerken, Vincent JJ, et al. "GPi vs STN deep brain stimulation for Parkinson disease: three-year follow-up." Neurology 86.8 (2016): 755-761.


                                 

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Autor:

Rodrigo Oliveira

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