2 pontos por GN⁺ 2023-10-11 | 1 comentários | Compartilhar no WhatsApp
  • Pesquisadores da Rice University testaram a estimulação remota de neurônios e a conexão do nervo ciático seccionado em ratos usando um material magnetoelétrico que converte campos magnéticos em campos elétricos
  • O novo material apresenta uma conversão 120 vezes mais rápida do que materiais semelhantes existentes, mirando problemas de formato e frequência dos sinais aos quais os neurônios tinham dificuldade de responder
  • A estrutura é baseada em uma camada piezoelétrica de lead zirconium titanate e camadas magnetostritivas de Metglas, com camadas empilhadas de platinum, hafnium oxide e zinc oxide para gerar sinais elétricos não lineares
  • Para reduzir o dispositivo inteiro, é necessário um processo capaz de produzir camadas finas com menos de 200 nm; no longo prazo, o objetivo é chegar a uma forma injetável no local desejado
  • Essa abordagem pode reduzir a invasividade de terapias de neuroestimulação e também levar a aplicações fora da bioeletrônica, como sensoriamento, memória e eletrônica

Estimulação remota de nervos com material magnetoelétrico

  • Materiais magnetoelétricos conseguem converter campos magnéticos em campos elétricos e, por isso, vêm chamando atenção como candidatos a terapias para estimular tecido nervoso de forma minimamente invasiva
  • A limitação dos materiais existentes era que o formato e a frequência do sinal elétrico convertido dificultavam a resposta dos neurônios
  • A equipe de Jacob Robinson, da Rice University, projetou um novo material magnetoelétrico para atacar esse problema
    • Segundo o estudo publicado na Nature Materials, esse material consegue estimular neurônios remotamente e com precisão
    • Em um modelo com ratos, ele foi usado para preencher a lacuna de um nervo ciático seccionado
    • Realiza a conversão magnetoelétrica 120 vezes mais rapidamente do que materiais semelhantes

Objetivo de neuroestimulação menos invasiva que dispositivos implantáveis

  • Robinson vê as propriedades e o desempenho desse material como algo que pode ter grande impacto em terapias de neuroestimulação
  • Em vez de implantar um dispositivo de neuroestimulação como se faz hoje, pode se tornar possível injetar uma quantidade muito pequena do material na região desejada
  • Joshua Chen partiu da pergunta sobre um material que pudesse estimular o cérebro ou o sistema nervoso mesmo quando colocado no corpo em uma quantidade muito pequena, ou tão pequena quanto “poeira”
  • Campos magnéticos penetram facilmente no corpo, e materiais magnetoelétricos podem convertê-los em campos elétricos, que o sistema nervoso usa para transmitir informações

Estrutura do material e princípio de funcionamento

  • Os pesquisadores partiram de um material magnetoelétrico formado por uma camada piezoelétrica de lead zirconium titanate entre duas camadas magnetostritivas de Metglas
  • Metglas é uma liga de vidro metálico que pode ser magnetizada e desmagnetizada rapidamente
  • Quando um campo magnético é aplicado, o elemento magnetostritivo vibra e muda de forma, e o material piezoelétrico gera eletricidade a partir dessa deformação
  • Ao combinar os dois materiais, é possível converter um campo magnético aplicado de fora do corpo em um campo elétrico

Sinais não lineares aos quais neurônios podem responder

  • Nos materiais magnetoelétricos existentes, a relação entre campo elétrico e campo magnético é linear
  • O que os pesquisadores precisavam era de uma relação não linear capaz de gerar sinais elétricos aos quais os neurônios de fato pudessem responder
  • Para isso, eles empilharam os seguintes materiais sobre o filme magnetoelétrico existente
    • platinum
    • hafnium oxide
    • zinc oxide
  • Encontrar técnicas de fabricação compatíveis entre os materiais foi um desafio
  • Robinson afirmou que houve muito trabalho para criar camadas finas com menos de 200 nm que produzissem propriedades especiais
  • Bhave vê esse processo como algo capaz de reduzir o tamanho total do dispositivo, abrindo caminho para uma forma injetável no futuro

Experimentos em nervos periféricos de ratos e possibilidade de neuropróteses

  • Em experimentos de prova de conceito, os pesquisadores estimularam nervos periféricos de ratos com esse material
  • Ao demonstrar que é possível recuperar a função em um nervo seccionado, o estudo indicou potencial de aplicação em neuropróteses
  • Chen explicou que esse metamaterial pode ser usado para preencher a lacuna de um nervo rompido e restaurar a alta velocidade dos sinais elétricos
  • Os pesquisadores veem esse framework de design de materiais como origem de um novo projeto de metamateriais capaz de superar diversos problemas em neurotecnologia
  • A mesma abordagem de design também pode ser aplicada a outros usos em eletrônica, como sensoriamento e memória

Artigo e financiamento

  • O título do artigo é “Self-rectifying magnetoelectric metamaterials for remote neural stimulation and motor function restoration”
  • A publicação é a Nature Materials, e o DOI é 10.1038/s41563-023-01680-4
  • Os autores do estudo são Joshua Chen, Gauri Bhave, Fatima Alrashdan, Abdeali Dhuliyawalla, Katie Hogan, Antonios Mikos e Jacob Robinson
  • A pesquisa recebeu apoio da National Science Foundation e dos National Institutes of Health

1 comentários

 
GN⁺ 2023-10-11
Opiniões do Hacker News
  • Como alguém que conhece uma pessoa com lesão medular, parece bastante cruel ver se repetir continuamente uma inovação que só chegará ao mercado daqui a 20 anos

    • Parece haver foco demais nos elementos que parecem incríveis, e foco insuficiente na qualidade de vida e nos desfechos dos pacientes realmente afetados
      Não sei como consertar isso, mas, para quem tem uma doença intratável, essa prática afeta diretamente a vida de forma negativa e causa muito medo; ainda assim, quando se fala disso no HN, muitas vezes a pessoa recebe downvotes, é atacada e tratada como se estivesse dizendo bobagem, então eu praticamente desisti
      Sinto muito pelo que seu conhecido está passando
    • Tenho uma lesão medular, mais precisamente uma lesão medular incompleta, e o fato de que todos os dias serão iguais aos de ontem até eu morrer foi um peso mental enorme; em certo momento, cheguei a querer antecipar esse fim
      Espero que todo mundo cuide bem do sistema nervoso
    • Algo possível mesmo que seja daqui a 20 anos é muito melhor do que algo eternamente impossível
      Há muitas doenças que mudam vidas e cujas perspectivas futuras são muito mais sombrias, por exemplo por terem pouquíssimo financiamento ou atenção para pesquisa
      Ainda assim, é verdade que a longa espera é terrível para quem está sofrendo agora
  • Não sou da área médica, mas alguém pode explicar exatamente o quão impressionante isso é?
    Fico curioso se é algo no nível de reparar a medula espinhal, ou apenas consertar um nervo cortado

    • Ainda é cedo para julgar
      Pode viabilizar uma terapia de estimulação nervosa menos invasiva, mas não se sabe se a eficácia vai melhorar
      Isso porque nem todos os neurônios voltam a crescer ou retornam ao lugar onde deveriam estar originalmente
    • Mesmo uma pequena lesão nervosa pode mudar muito uma vida
      Um amigo que andava de moto bateu numa grade da estrada e teve os nervos do ombro direito rompidos; ele não tem sensibilidade no braço nem consegue movê-lo
      Se algo assim puder ser corrigido, será enorme para essas pessoas
    • Pelo artigo, parece mais uma ponte que conecta a parte rompida do que algo que ajuda o corpo a se curar sozinho
    • Neuropatia afeta muitas pessoas
      Por exemplo, pacientes com diabetes também entram nessa, e essa tecnologia poderia melhorar muitas vidas
    • Também fico curioso sobre quais serão as aplicações dessa tecnologia e qual será seu prazo de concretização
  • Se entendi direito, isso parece possibilitar a conversão nervo-digital e a conversão digital-nervo
    Nesse caso, significa que em breve poderemos substituir o corpo por um corpo robótico
    Os problemas restantes são como manter o cérebro vivo dentro de um tanque e como tornar o equipamento de suporte à vida pequeno o suficiente para caber dentro do corpo
    Como basta fazer o sangue circular, remover dióxido de carbono e fornecer oxigênio e glicose, talvez não seja tão difícil, e parece possível manter o cérebro vivo por tempo indefinido

    • “Em breve poderemos substituir nosso corpo por um corpo robótico” é uma conclusão precipitada
    • É parecido com dizer, em 1970, “já temos computadores que jogam xadrez, então em breve poderemos substituir humanos por IA”
      Antes de dizer “podemos manter o cérebro vivo por tempo indefinido” ou “não é tão difícil”, é preciso olhar para por que de um terço à metade da população acima de 85 anos sofre de Alzheimer, Parkinson ou demência
      Desenvolvedores de software tendem a enxergar esse tipo de problema de forma simplista e otimista demais, e o corpo humano é muito mais complexo do que essa explicação sugere
    • O escopo das expectativas é bem menor
      Espero que isso ajude pessoas com lesões nervosas por rompimento, ou que sirva para criar próteses de braço melhores, com movimento e sensores táteis, para pessoas sem membros
      Pessoalmente, também tenho muito interesse em melhorar a interação humano-computador
      Se possível, seria bom que fosse sem cirurgia, ou de um modo extremamente não invasivo e rápido
    • É difícil acreditar numa extrapolação radical do tipo “em breve poderemos substituir nosso corpo por um corpo robótico”
      Ainda mais numa situação em que, a cada dois dias, aparece no HN — e às centenas no Reddit — algum texto dizendo ter a cura definitiva para câncer ou AIDS
    • Parece que, depois de um texto que começa com “se entendi direito”, geralmente vem algo que mostra que a pessoa não entendeu direito
  • Sempre me pareceu desencontrado que o corpo de uma pessoa possa ser levado ao outro lado do planeta, a 900 km/h, durante 25 horas, por menos de 1.500 dólares, mas que, mesmo gastando 1.000 vezes mais dinheiro e 1.000 vezes mais tempo, não consigamos ligar a distância entre o cérebro e os pés

    • Usando uma analogia familiar para administradores de sistemas, imagine cortar um feixe de cabos Ethernet ou de fibra óptica que vai para um rack de datacenter
      Agora é preciso emendar tudo de novo de modo que cada porta volte a se conectar à porta original
      Além disso, esses cabos têm tamanho microscópico, são extremamente frágeis, e nem sabemos de fato como repará-los
      Na prática, é quase só esperar que voltem a crescer no lugar
    • Isso é estranho?
      Para mim, parece até natural
      Precisão sempre foi difícil
      A maioria das pessoas acha mais difícil acertar com exatidão um ponto de 1 mm a 1 m de distância do que chutar uma bola a 10 m
      Mover um monte de areia por 100 m é mais fácil do que mover exatamente um grão de areia por 1 cm sem tocar nos grãos ao redor
    • Como as duas tarefas são completamente diferentes, comparar com base em distância não parece fazer sentido
    • Dá para entender como um jato funciona, na profundidade que se quiser, desde que haja curiosidade
      Aviões foram projetados por humanos a partir de primeiros princípios, e somos bons em documentar nossas invenções e entender seus princípios
      Mas criar algo que faça interface com sistemas biológicos é um problema totalmente diferente
      É como fazer engenharia reversa de tecnologia alienígena: precisamos reconstruir o entendimento de algo extremamente complexo que a nossa civilização não projetou
      É tão complexo que só relativamente recentemente, graças a avanços em outras áreas, criamos ferramentas para investigá-lo de forma significativa
    • Cada área científica tem pontos de partida históricos diferentes e ritmos de progresso muito desiguais
      Nós sempre soubemos, pelo menos desde o Egito Antigo, mais matemática do que física, mais física do que química, e mais química do que sobre o nosso corpo
      As tecnologias disponíveis também refletem essa diferença
  • Será que, em um futuro próximo de ficção científica, seria possível usar uma tecnologia dessas para transplantar uma nova coluna vertebral cultivada em laboratório?

    • Isso me faz imaginar uma coluna cultivada em laboratório em que os sinais nervosos se deslocam na velocidade da corrente elétrica
    • Já que estamos falando de ficção científica, depois de ler sobre pessoas manipulando membros ou dedos inexistentes, fiquei curioso
      “Parte dos objetivos da CTRL-Labs é bastante bizarra, como treinar modelos para controlar dedos extras”
      https://www.theverge.com/2018/6/6/17433516/ctrl-labs-brain-c...
      Será que poderíamos reforçar ou interligar nervos para controlar coisas que originalmente não conseguimos controlar?
      Por exemplo, e se pudéssemos secretar hormônios à vontade para liberar adrenalina ou nos acalmar?
    • Acho que a coluna vertebral é muito mais complexa do que as pessoas geralmente imaginam
      Pelo que li, a coluna também tem capacidades básicas de reação e pensamento, e talvez esteja além do nível que humanos conseguem criar
  • É uma grande esperança para pacientes com paralisia
    Só espero que não acabe sendo uma tecnologia tão cara que apenas alguns milionários possam usar

  • Comunicados publicados diretamente por universidades, por exemplo quando a rice.edu anuncia uma grande descoberta, agora me parecem quase clickbait, porque os incentivos são distorcidos demais
    Os pesquisadores exageram os resultados por causa de artigos e financiamento, e a universidade exagera esses resultados de novo para atrair estudantes e investidores
    Fico me perguntando se outras pessoas sentem algo parecido, ou se eu é que fiquei cínico demais

    • Entendo o cinismo
      Cobertura jornalística acadêmica é difícil e pouco recompensadora
      Olhando sem cinismo, metade do trabalho de um pesquisador é disseminar seus resultados para outros pesquisadores e para o público
      Prefiro comunicados empolgados de universidades, mesmo que um pouco exagerados, a notícias feitas para provocar indignação dominando a TV e as páginas iniciais da “grande mídia”
      Pesquisadores sérios podem, no fim, voltar ao material real revisado por pares
      O artigo também tinha um link, e o original está aqui: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01680-4
      O PDF está aqui: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.24.477527v2....
      Como alguém que conhece essa área de modo periférico, sei um pouco sobre dispositivos piezoelétricos e magnetostrictivos e sobre estimulação e registro neural, mas nunca vi um material magnetostrictivo capaz de gerar um viés DC
      Além disso, operar o dispositivo em modo não ressonante para estimulação neural também me parece algo novo
      É uma visão a partir de 1.000 pés de distância, mas é bem interessante, e acho que este artigo é uma cobertura eficaz com conteúdo à altura do exagero
    • Dizem que 30% da física e da química não é reproduzível, e que 70% das ciências humanas e sociais não é reproduzível
      Boa parte do que sabemos sobre sociologia pode ser falso, e, se uma grande base do pensamento progressista sobre raça, sexo e gênero está assentada nisso, é um grande problema
      No mínimo, não parece muito diferente desta situação
    • Isso me lembrou esta tirinha sobre o ciclo das notícias: https://phdcomics.com/comics/archive.php?comicid=1174
  • Quando será que o neural lace vai sair?

    • Considerando o quanto é difícil de fato reparar danos acidentais em células cerebrais e nervos, e quão amplas são as consequências desses danos, sempre me surpreende que tanta gente queira espetar algo ali e deixar código arbitrário enviar estímulos elétricos ao cérebro
      Entendo que o potencial é enorme e atraente, mas eu não gostaria de ser um early adopter desse tipo de produto