Ricerche

Di recente, Charles M. Lieber ha assistito per la prima volta a un intervento chirurgico al cervello. Insieme a Jung Min Lee, post-dottorato del suo laboratorio, e Shaun Patel, membro di facoltà della Harvard Medical School e del Massachusetts General Hospital, hanno osservato da vicino il lavoro dei neurochirurghi mentre si preparavano a rimuovere un pezzo di tessuto cerebrale del loro paziente, sperando di prevenire futuri attacchi epilettici.

Mentre i chirurghi effettuavano le ultime incisioni, "abbiamo osservato una cosa davvero sorprendente", ha detto Lieber. Ad ogni battito del cuore, il cervello si gonfiava di quasi un centimetro attraverso l'apertura. "Un aumento enorme". Il cervello ondeggia ogni volta che il sangue scorre e il corpo si muove. Ma il grado di questo spostamento ha confermato i sospetti di lunga data di Lieber.

Per oltre un decennio, il professore universitario ha dedicato la sua vita e il suo laboratorio alla progettazione di impianti cerebrali elettronici più piccoli e più flessibili che potrebbero spostarsi con il tessuto cerebrale anziché contro di esso. La sua elettronica a maglie imita le dimensioni, la forma e la sensazione dei neuroni reali, consentendo al suo team di registrare, tracciare e modulare stabilmente i singoli neuroni e circuiti per un anno o oltre.

I dispositivi neurali impiantati aiutano già ad alleviare sintomi come i tremori intrusivi associati al Parkinson. Ma le sonde attuali sono limitate dalla loro dimensione e flessibilità. "Il cervello è molle e questi impianti sono rigidi", ha detto Patel. Circa quattro anni fa, quando ha scoperto le alternative ultra-flessibili di Lieber, ha visto il futuro delle interfacce cervello-macchina.

In un articolo recente intitolato Precision Electronic Medicine (Medicina elettronica di precisione), pubblicato su Nature Biotechnology, Patel e Lieber sostengono che la neurotecnologia è all'apice di un grande rinascimento. Nel corso della storia, gli scienziati hanno offuscato le linee disciplinari per affrontare i problemi più ampi dei loro campi individuali. Il Progetto Genoma Umano, ad esempio, ha messo insieme team internazionali di scienziati per mappare i geni umani più velocemente di quanto serebbe stato altrimenti possibile.

"La prossima frontiera è davvero la fusione della cognizione umana con le macchine", ha detto Patel. Lui e Lieber vedono l'elettronica a maglie come la base di quelle macchine, un modo per progettare un trattamento elettronico personalizzato per qualsiasi cosa legata al cervello. "Tutto si manifesta fondamentalmente nel cervello. Tutto. Tutti i tuoi pensieri, le tue percezioni, qualsiasi tipo di malattia", ha detto Patel.

Gli scienziati possono individuare le aree generali del cervello in cui hanno origine il processo decisionale, l'apprendimento e le emozioni, ma tracciare comportamenti su neuroni specifici è ancora una sfida. In questo momento, quando i complessi circuiti del cervello iniziano a comportarsi male o a degradarsi (a causa di malattie psichiatriche come la dipendenza o il disturbo ossessivo-compulsivo, le malattie neurodegenerative come il Parkinson o l'Alzheimer o persino l'invecchiamento naturale), i pazienti hanno solo due opzioni di intervento medico: i farmaci o, quando quelli falliscono, l'impianto di elettrodi.

Farmaci come l'L-dopa possono calmare i tremori che impediscono a chi ha il Parkinson di fare cose semplici come vestirsi e mangiare. Ma poiché i farmaci influenzano più del semplice bersaglio, anche gli effetti collaterali comuni dell'L-dopa possono essere gravi, andando dalla nausea alla depressione ai ritmi cardiaci anormali.

Quando i farmaci non funzionano più, gli elettrodi approvati dalla FDA possono fornire sollievo attraverso la stimolazione cerebrale profonda. Come un pacemaker, un pacco batteria posto sotto la clavicola invia impulsi elettrici automatizzati a due impianti cerebrali. Lieber ha detto che ogni elettrodo “sembra una matita; è grande".

Durante l'impianto, i pazienti di Parkinson sono svegli, quindi i chirurghi possono calibrare gli impulsi elettrici. Alza il segnale elettrico e i tremori si calmano. "Quasi istantaneamente, puoi vedere la persona riprendere il controllo dei suoi arti", ha detto Patel. "Mi fa impazzire".

Ma, come con l'L-dopa, i grandi elettrodi stimolano più degli obiettivi previsti, causando a volte effetti collaterali gravi, come impedimenti del linguaggio. E, nel tempo, il sistema immunitario del cervello tratta gli impianti rigidi come oggetti estranei: le cellule immunitarie neuronali (glia) inghiottono l'invasore percepito, spostando o addirittura uccidendo neuroni e riducendo la capacità del dispositivo di mantenere il trattamento.

Al contrario, l'elettronica a maglie di Lieber non provoca quasi nessuna risposta immunitaria. Con una stretta vicinanza a lungo termine con gli stessi neuroni, gli impianti possono raccogliere dati affidabili su come i singoli neuroni nel tempo comunicano o, nel caso di disturbi neurologici, non comunicano. Alla fine, tale tecnologia potrebbe tracciare il modo in cui parlano anche sottotipi neurali specifici, il che potrebbe portare a una mappa più pulita e più precisa della rete di comunicazione del cervello.

Con obiettivi di risoluzione più elevata, i futuri elettrodi possono agire con maggiore precisione, eliminando gli effetti collaterali indesiderati. Se ciò accadrà, ha detto Patel, potrebbero essere regolati per trattare qualsiasi disturbo neurologico. E, a differenza degli attuali elettrodi, quelli di Lieber hanno già dimostrato un trucco prezioso: incoraggiano la migrazione neurale, guidando potenzialmente i neuroni neonati verso aree danneggiate, come le tasche create da un ictus.

"Il potenziale è eccezionale", ha affermato Patel. "Nella mia mente, lo vedo a livello di ciò che è iniziato con il transistor o le telecomunicazioni".

Il potenziale va oltre la terapia: gli elettrodi adattivi potrebbero fornire un maggiore controllo sugli arti protesici o addirittura paralizzati. Col tempo, potrebbero agire come sostituti neurali, sostituendo i circuiti danneggiati per ristabilire reti di comunicazione interrotte e ricalibrarle in base agli stimoli di ritorno dal vivo. "Se potessi effettivamente interagire in modo preciso e a lungo termine e fornire anche informazioni di feedback", ha detto Lieber, "potrei davvero comunicare con il cervello nello stesso modo in cui il cervello comunica con se stesso".

Anche alcune importanti aziende tecnologiche sono desiderose di supportare le interfacce cervello-macchina. Alcune, come la Neuralink di Elon Musk, che ha in programma di dare ai pazienti paralizzati il ​​potere di lavorare con un computer, sono focalizzate su applicazioni assistive. Altre hanno piani più ampi: Facebook vuole che le persone scrivano messaggi immaginando le parole e la Kernel di Brian Johnson spera di migliorare le capacità cognitive.

Durante i suoi studi post-dottorato, Patel ha visto come solo un breve impulso di elettricità - non più di 500 millisecondi di stimolazione - potesse controllare la capacità di una persona di prendere una decisione sicura o impulsiva. Dopo un po' di girovagare, i soggetti che hanno quasi sempre scelto la scommessa rischiosa, sono andati invece sull'opzione sicura. "Non immaginavi che sarebbe successo", ha detto Patel. “Non ne sei consapevole. È oltre la tua consapevolezza cosciente".

Tale potere richiede un intenso controllo etico. Per le persone che lottano per combattere la dipendenza o il disturbo ossessivo-compulsivo, un regolatore di pulsioni esterno potrebbe migliorare significativamente la qualità di vita. Ma le aziende che gestiscono tali regolatori potrebbero accedere alla maggior parte dei dati personali dei loro clienti, i loro pensieri.

E, se apprendimento e memoria migliorati sono in vendita, chi può comprare un cervello migliore? "Bisogna essere molto attenti all'etica coinvolta se si sta cercando di diventare un sovrumano", ha detto Lieber. "Riuscire ad aiutare le persone è molto più importante per me in questo momento".

L'elettronica a maglie deve ancora superare alcune importanti sfide: aumentare il numero di elettrodi impiantati, elaborare il flusso di dati erogato dagli impianti e reinserire tali informazioni nel sistema per consentire la ricalibrazione in tempo reale.

"Nei discorsi scherzo sempre dicendo che lo sto facendo perché la mia memoria ora è peggiore di prima", ha detto Lieber. "Questo è l'invecchiamento naturale. Ma deve essere così? E se potessi correggerlo?”. Se lui e Patel riuscissero a galvanizzare i ricercatori a proposito dell'elettronica a maglie, la questione potrebbe non essere se, ma quando.