I ricercatori dimostrano interfacce neurali flessibili per il cervello

Un nuovo progetto guidato da un team di ricercatori ha dimostrato come un’interfaccia neurale ultrasottile e flessibile possa essere impiantata nel cervello. L’interfaccia è composta da migliaia di elettrodi e può durare oltre sei anni.

I risultati sono stati pubblicati lo scorso mese sulla rivista Science Translational Medicine. Il team di ricercatori include Jonathan Viventi, professore assistente di ingegneria biomedica alla Duke University; John Rogers, il Louis Simpson e Kimberly Querrey Professor of Materials Science and Engineering, Biomedical Engineering e Neurological Surgery alla Northwestern University; e Bijan Pesaran, professore di scienza neurale alla NYU.

Sfide relative ai sensori nel cervello

Viventi ha parlato della difficoltà di far funzionare i sensori nel cervello.

“Tentare di far funzionare questi sensori nel cervello è come gettare il tuo smartphone flessibile e pieghevole nell’oceano e aspettarsi che funzioni per 70 anni”, ha detto Viventi. “A parte il fatto che stiamo creando dispositivi che sono molto più sottili e flessibili dei telefoni attualmente in commercio. Questa è la sfida”.

Ci sono molte sfide difficili quando si introduce un oggetto estraneo nel cervello. Devono essere in grado di esistere in un ambiente corrosivo e salato, e i tessuti circostanti e il sistema immunitario attaccano l’oggetto.

La difficoltà aumenta ancora di più quando si parla di dispositivi elettrici. La maggior parte dei dispositivi impiantabili a lungo termine sono sigillati ermeticamente con custodie in titanio saldate a laser.

“Costruire involucri resistenti all’acqua per questo tipo di impianti rappresenta un livello di sfida ingegneristica”, ha detto Rogers. “Stiamo segnalando qui lo sviluppo riuscito di materiali che forniscono livelli simili di isolamento, ma con membrane sottili e flessibili che sono cento volte più sottili di un foglio di carta”.

A causa della disposizione del cervello umano, lo spazio e la flessibilità sono estremamente importanti. Il cervello umano è composto da decine di miliardi di neuroni, ma le interfacce neurali esistenti possono campionare solo circa un centinaio di siti. Questa sfida specifica ha portato il team di ricercatori a sviluppare nuovi approcci.

“È necessario spostare l’elettronica sui sensori stessi e sviluppare un’intelligenza locale che possa gestire più segnali in entrata”, ha detto Viventi. “È così che funzionano le fotocamere digitali. Puoi avere decine di milioni di pixel senza decine di milioni di fili perché molti pixel condividono gli stessi canali di dati”.

I ricercatori sono stati in grado di creare dispositivi neurali flessibili che sono spessi 25 micrometri, composti da 360 elettrodi.

“Abbiamo provato un mucchio di strategie prima. Deposito di polimeri sottili come richiesto ha portato a difetti che li facevano fallire, e polimeri più spessi non avevano la flessibilità richiesta”, ha detto Viventi. “Ma abbiamo finalmente trovato una strategia che supera tutte le altre e ora funziona nel cervello”.

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Strato di diossido di silicio

L’articolo dimostra come uno strato di diossido di silicio meno di un micrometro di spessore, che è cresciuto termicamente, possa aiutare a domare l’ambiente all’interno del cervello. La velocità di degradazione è di 0,46 nanometri al giorno, ma le piccole quantità possono dissolversi nel corpo senza creare problemi.

I ricercatori hanno anche dimostrato come gli elettrodi all’interno del dispositivo possano utilizzare il rilevamento capacitivo per rilevare l’attività neurale.

I nuovi sviluppi sono solo uno dei primi passi per migliorare questa tecnologia. Il team sta ora lavorando per aumentare il prototipo da 1.000 elettrodi a oltre 65.000.

“Uno dei nostri obiettivi è creare un nuovo tipo di protesi visiva che interagisce direttamente con il cervello che possa ripristinare almeno una parte della capacità visiva per le persone con nervi ottici danneggiati”, ha detto Viventi. “Ma possiamo anche utilizzare questi tipi di dispositivi per controllare altri tipi di protesi o in una vasta gamma di progetti di ricerca neuroscientifica”.