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Sono con noi ogni momento di ogni giorno, controllano ogni azione che facciamo, dal respiro alle parole che diciamo, ma c'è ancora molto che non sappiamo sulle cellule che compongono il nostro sistema nervoso.

Quando le cose vanno male e le cellule nervose non comunicano come dovrebbero, le conseguenze possono essere devastanti. La parola può essere impastata, i muscoli smettono di funzionare a comando e i ricordi possono perdersi per sempre.

Una migliore comprensione del funzionamento di neuroni e cervello potrebbe portare a nuove tecniche di prevenzione, diagnosi e trattamento, ma il cervello è complesso e difficile da studiare. Se lo si dovesse tenere in mano, si potrebbe probabilmente ammirare la sensazione tattile e i movimenti della gelatina. Questo tessuto è composto da neuroni e altre cellule di sostegno con minuscoli corpi cellulari, che generano segnali elettrici che determinano il funzionamento del cervello e del sistema nervoso.

Tali segnali potrebbero essere registrati e valutati se ci fosse un piccolo elettrodo opportuno nelle vicinanze, ma ciò presenta delle difficoltà. Il tessuto cerebrale è sempre in movimento, in risposta al movimento e agli schemi di respirazione del corpo. Inoltre, il tessuto nervoso è incredibilmente sensibile. Se interrotte da un corpo estraneo, le cellule attivano una risposta immunitaria per incapsulare l'intruso e barricarlo dal segnale elettrico che sta cercando di catturare e capire.

Lavoro per sviluppare interfacce neurali intelligenti

Questa sfida ha portato Jit Muthuswamy, professore associato di ingegneria biomedica dell'Arizona State University (ASU) di Tempe, a perseguire un sistema robotico di elettrodi che cerca e mantiene in modo autonomo il contatto con i neuroni che interessano, in una persona che vive le routine comportamentali normali. Questo lo ha portato ai Sandia National Laboratories.

"Stiamo lavorando per sviluppare interfacce neurali croniche, affidabili e intelligenti che possano comunicare con singoli neuroni in varie applicazioni, alcune delle quali stanno emergendo e altre vicine ad essere commercializzate", ha detto Muthuswamy. "Le applicazioni, come le protesi del cervello, dipendono criticamente dal modo di interfacciarsi e comunicare con i singoli neuroni in modo affidabile nel corso della vita. Tali interfacce neurali affidabili sono anche fondamentali per aiutarci a capire i cambiamenti dinamici nello schema connettivo del cervello".

La chiave del successo di tale approccio robotico sono gli attuatori in microscala necessari per riposizionare gli elettrodi. Ciò ha portato Muthuswamy nel 2000 a cercare l'ingegnere dello Sandia Murat Okandan e le capacità ingegneristiche sui microsistemi uniche della struttura «Microsystems and Engineering Sciences Applications» del Sandia. "Il flusso di processo che usiamo per produrli non è disponibile in nessun'altra parte del mondo, così come il livello di complessità e di spazio di progettazione meccanica che abbiamo per progettare e fabbricare questi apparecchi è immensamente più grande di quello che altri ricercatori potrebbero avere", ha detto Okandan. Egli lavora con il team di ricerca di Muthuswamy da quel primo contatto per trovare un metodo adeguato per tenere traccia dei singoli neuroni mentre «sparano» [=inviano impulsi elettrici].

Le sonde precedenti erano costituite da un filo di metallo affilato inserito nel tessuto. Più è vicina la sonda al neurone, più forte è il segnale, quindi gli sperimentatori cercano idealmente di avvicinarla il più possibile senza interrompere il tessuto circostante. Il problema è che anche un filo sottile è troppo grande; tale sonda può prendere i segnali intorno al neurone, ma è troppo ingombrante per essere affidabile nel tempo.

Altrettanto importante è catturare i segnali di un animale sveglio. Data la loro dimensione e rigidità, le sonde di corrente non sono adatte a raccogliere le registrazioni mentre l'animale reagisce al suo ambiente. Tali unità non sono completamente interne, perciò impediscono agli animali di muoversi liberamente.

Chiave in microscala per catturare segnali da animali svegli e in movimento

Gli attuatori in microscala e i microelettrodi sono fondamentali per affrontare entrambi questi problemi e quindi le sonde possono interagire con le singole cellule nervose, facendo il minimo danno al tessuto circostante. Gli attuatori in microscala e il sistema di confezionamento associato sviluppati all'ASU e al Sandia lasciano la sonda muoversi autonomamente dentro e fuori le zone circostanti la cellula, raccogliendo le misurazioni mentre compensano eventuali movimenti del neurone o del tessuto cerebrale.

Con le dimensioni circa di un'unghia, l'unità autosufficiente dispone di tre microelettrodi e dei relativi micro attuatori. Quando una corrente attraversa il termoattuatore, essa espande e spinge i microelettrodi all'esterno oltre il bordo dell'unità, che è piatta per adattarsi al tessuto. Poiché l'attuatore è così piccolo, può essere riscaldato a diverse centinaia di gradi centigradi e nuovamente raffreddato 1.000 volte al secondo. Ci vogliono 540 cicli per estendere completamente la sonda, ma ciò può essere fatto rapidamente, in meno di un secondo.

Le sonde sono state impiantate nella corteccia somatosensoriale di roditori e rigorosamente testati in numerosi esperimenti, sia in condizioni acute che a lungo termine, dice Muthuswamy. Le procedure sugli animali sono state eseguite con l'approvazione dell'«Institute of Animal Care and Use Committee» dell'ASU, e gli esperimenti sono stati fatti in conformità alle linee guida del National Institute of Health.

Muthuswamy ha detto che le sonde neurali hanno dimostrato un significativo miglioramento nella qualità e affidabilità dei segnali quando sono state spostate con precisione usando i microattuatori del Sandia in risposta alla perdita di segnali neurali. Inoltre, ha detto, aggiungendo controlli a ciclo chiuso autonomi per compensare le perturbazioni in microscala nel tessuto cerebrale, è migliorata significativamente la stabilità delle registrazioni neurali dal cervello.

La scala di questo sistema è unica

Gli attuatori termici sono usati da anni al Sandia e altrove, ma la scala di questo sistema è unica. "L'idea che si possa costruire questo sistema per ottenere più millimetri di spostamento totale da un dispositivo in scala micron è stata una pietra miliare significativa", ha detto il tecnico del Sandia Michael Baker, che ha progettato l'attuatore. "Abbiamo usato attuatori elettrostatici in passato, ma l'attuatore termico fornisce una forza molto maggiore, necessaria per spostare la sonda nel tessuto".

I microelettrodi sono in polisilicio altamente conduttivo, di cui il team ha scoperto una serie di vantaggi. È quasi simile al metallo per conducibilità, ma abbastanza resistente per milioni di cicli. Esso fornisce un rapporto segnale-rumore molto maggiore delle sonde a filo precedenti e fornisce segnali delle misurazioni di alta qualità.

Muthuswamy e Okandan attualmente stanno cercando di produrre dati più ricchi con una risoluzione inferiore al range del micron per riuscire ad andare all'interno delle cellule e prendere le misurazioni lì. Inoltre stanno lavorando sul compattamento dei chip della sonda neurale esistenti e riducendo gli spazi tra le sonde. Il laboratorio Neural Microsystems di Muthuswamy all'ASU ha sviluppato un approccio unico di compattamento per la creazione di matrici tridimensionali di microelettrodi attuati.

"Con la costruzione di una matrice tridimensionale, avremmo accesso a una quantità significativamente maggiore di informazioni, piuttosto che solo una fetta", ha detto Okandan. "Siamo molto incoraggiati dai progressi che abbiamo fatto, e non vediamo l'ora di approfittare di tale progresso".

Fonte:  Sandia National Laboratories  (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

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