Interfacce neurali flessibili e sottili capaci di durare per oltre sei anni

I ricercatori della Duke University hanno progettato un’interfaccia neurale ultrasottile e flessibile in grado di durare per oltre sei anni una volta impiantata. Costituito da migliaia di elettrodi e protetto dai processi biologici degradanti, il risultato è un passo importante verso lo sviluppo di interfacce neurali ad alta risoluzione in grado di rimanere all’interno del corpo umano per una vita intera.

Il team guidato da Jonathan Viventi, assistente professore di ingegneria biomedica alla Duke University, ha pubblicato i risultati dello studio l’8 aprile sulla rivista Science Translational Medicine.

Il corpo umano è un ambiente ostile

I processi biologici interni rendono il corpo umano un ambiente particolarmente ostile in cui vivere agli ospite indesiderati, soprattutto se sono fatti di polimeri o metallo. Oltre alle difese innescate dai tessuti circostanti e dalla risposta del sistema immunitario, gli oggetti estranei devono essere in grado di resistere in un ambiente corrosivo e salato.

“Cercare di far funzionare questi sensori nel cervello è come lanciare il tuo smartphone pieghevole e flessibile nell’oceano e aspettarti che funzioni per 70 anni. Tranne per il fatto che stiamo realizzando dispositivi molto più sottili e molto più flessibili rispetto ai telefoni attualmente sul mercato. Questa è la sfida.” – Jonathan Viventi, assistente professore di ingegneria biomedica alla Duke University

L’idea di ingegnerizzare dispositivi elettronici in grado di resistere a questo attacco biologico è una prospettiva piuttosto scoraggiante. Infatti, gli attuali dispositivi impiantabili a lungo termine sono chiusi ermeticamente all’interno di un involucro di titanio saldato al laser, si pensi ai pacemaker. “La costruzione di custodie di grandi dimensioni a tenuta stagna per questo tipo di impianti rappresenta un livello di sfida ingegneristica”, ha affermato John Rogers, autore dello studio e professore di scienza e ingegneria dei materiali, ingegneria biomedica e chirurgia neurologica alla Northwestern University. “Qui [nello studio] riportiamo il riuscito sviluppo di materiali che forniscono livelli di isolamento simili, ma con membrane sottili e flessibili che sono cento volte più sottili di un foglio di carta”.

Un nuovo approccio per la progettazione di interfacce neurali

Lo spessore ridotto e la flessibilità sono essenziali se il sensore è un impianto neurale. Nel cervello la sfida per la ricerca di materiali flessibili e sottili si fa ancora più ardua. Le attuali interfacce neurali sono in grado di campionare solo alcune centinaia di siti, quantità molto piccole se si pensa alle decine di miliardi di neuroni che compongono il cervello umano. Si potrebbe allora optare per la progettazione di un dispositivo più grande, ma questo diventerebbe un ostacolo alla logistica poiché ogni sensore richiede il proprio filo, ritrovandosi presto con un problema diverso ma altrettanto limitante.

I ricercatori, allora, hanno deciso di lavorare su un approccio diverso. “È necessario spostare l’elettronica ai sensori stessi e sviluppare un’intelligenza locale in grado di gestire più segnali in entrata“, ha affermato Viventi. “Ecco come 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”.

Con questa idea, il team ha sviluppato dispositivi neurali flessibili spessi appena 25 micrometri e con 360 elettrodi. Tuttavia, inizialmente non sono riusciti ad ottimizzare la protezione dai danni biologici, poiché anche il minimo difetto può rendere vani tutti gli sforzi di progettazione. “Prima abbiamo provato un mucchio di strategie. Il deposito di polimeri sottili appena il necessario ha comportato difetti che li [i dispositivi] ha fatti fallire e i polimeri più spessi non avevano la flessibilità richiesta”, ha detto Viventi. “Ma finalmente abbiamo trovato una strategia che supera tutte le altre e che li ha fatti funzionare nel cervello.”

Il biossido di silicio

Nel nuovo articolo, Viventi e il suo team dimostrano che uno strato di biossido di silicio accresciuto termicamente con uno spessore inferiore al micrometro può respingere l’ambiente ostile all’interno del cervello, degradandosi a una velocità di solo 0.46 nanometri al giorno. Il biossido di silicio ha una velocità di cristallizzazione molto lenta, pertanto, è in grado di solidificare sotto forma di vetro. Inoltre, è un materiale biocompatibile, perciò, qualsiasi traccia che si dissolva nel corpo non creerebbe alcun problema all’organismo.

Nello studio viene anche mostrato che, sebbene la capsula di vetro non sia conduttiva, gli elettrodi del dispositivo sono comunque in grado di rilevare l’attività neurale attraverso la variazione di capacità dielettrica. Questo è lo stesso tipo di tecnologia in grado di rilevare i tocchi del dito su uno schermo touchscreen – i quali, infatti, sono schermi capacitivi.

I ricercatori hanno impiantato un’interfaccia neurale a 64 elettrodi in un ratto per oltre un anno e un’interfaccia neurale a 1008 elettrodi nella corteccia motoria di una scimmia. “Impiegare con successo il dispositivo nelle scimmie che svolgono attività simili all’uomo è un enorme balzo in avanti”, ha affermato Bijan Perasan, professore di scienze neurali alla New York University e autore dello studio. “Ora possiamo perfezionare la nostra tecnologia per aiutare le persone che soffrono di disturbi cerebrali“.

Le prospettive ambiziose del team

Sulla base degli esiti ottenuti e sugli esperimenti condotti, i ricercatori ritengono che i loro dispositivi possano essere in grado di resistere all’impianto nel cervello per più di sei anni. Sebbene questi risultati siano enormi passi avanti rispetto ad attuali dispositivi all’avanguardia, non sono neanche lontanamente vicini alle aspirazioni dei ricercatori. Attualmente stanno lavorando per portare il prototipo da 1000 elettrodi a oltre 65000. Inoltre, pensano che usando fonderie commerciali per la produzione degli elettrodi le prestazioni della loro interfaccia neurale aumenteranno notevolmente non solo in termini di qualità del segnale ma anche di sopravvivenza all’interno del corpo umano.

“Uno dei nostri obiettivi è quello di creare un nuovo tipo di protesi visiva che interagisca direttamente con il cervello in grado di ripristinare almeno una certa 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 sulle neuroscienze“.