Ricerche

Diagramma di una cellula nervosa (neurone) con l'assone che possiede la guaina di mielina (Myelin sheath), i nodi di Ranvier e le cellule di Schwann. Fonte: Wikimedia Commons 

Moltissima scienza legittima - oltre a un sacco di fantascienza - discute i modi per 'modificare il cervello'. In realtà, la maggior parte delle volte e anche nella finzione, ciò implica la chirurgia, aprire il cranio per impiantare fisicamente fili o dispositivi nel cervello.

Ma è difficile, pericoloso e potenzialmente mortale. Sarebbe più intelligente lavorare con il cervello senza dover aprire il cranio dei pazienti. I disordini neurologici sono comuni, colpiscono più di un miliardo di persone in tutto il mondo, di tutte le età, generi e livelli di istruzione e reddito.

La ricerca del mio team di ingegneria neurale, nell'ambito di uno sforzo più ampio in tutta la bioingegneria, sta cercando di comprendere e attenuare varie disfunzioni neurologiche, come la sclerosi multipla, il disturbo dello spettro autistico e il morbo di Alzheimer (MA).

Identificare e influenzare l'attività cerebrale dall'esterno del cranio potrebbe infine consentire ai medici di diagnosticare e trattare un'ampia gamma di malattie debilitanti del sistema nervoso e disturbi mentali, senza chirurgia invasiva.

Connessioni senza fili all'interno del cervello

Il mio gruppo crede che siamo i primi ad aver scoperto un nuovo modo in cui le cellule nervose comunicano tra loro. I nervi sono ben noti per connettersi attraverso collegamenti fisici (chiamiamole connessioni 'cablate') in cui gli assoni di una cellula nervosa inviano segnali elettrici e chimici ai dendriti di una cellula vicina.

La nostra ricerca ha scoperto che le cellule nervose comunicano anche senza fili, usando l'attività cablata per creare minuscoli campi elettrici propri e rilevando i campi che creano le celle vicine. Ciò genera la possibilità di molti più percorsi neurali e può aiutare a spiegare perché diverse parti del cervello si connettono così rapidamente durante l'esecuzione di compiti complicati.

Siamo riusciti a monitorare questi campi elettrici dall'esterno del cranio, ascoltando efficacemente le comunicazioni nervose. Speriamo che ci aiuti a trovare connessioni alternative e sane per i nervi danneggiati dalla sclerosi multipla, o a riequilibrare l'attività dei nervi a causa del disturbo dello spettro autistico, o a far 'sparare' insieme i neuroni primari con schemi specifici, ripristinando i ricordi a lungo termine persi a causa del MA.

Nello specifico, abbiamo scoperto che quando una fibra nervosa isolata o mielinizzata nel cervello è attiva e invia segnali lungo la sua lunghezza (chiamati 'potenziali d'azione'), regioni speciali lungo la sua lunghezza generano un campo elettrico molto piccolo. Le regioni cellulari in cui ciò accade, chiamate 'nodi di Ranvier', agiscono come piccole antenne in grado di trasmettere e ricevere segnali elettrici.

Qualsiasi interruzione nelle due strutture altamente specializzate - la guaina mielinica o il nodo di Ranvier - non solo si traduce in disfunzioni neurologiche, ma anche in cambiamenti nel campo elettrico circostante.

Ascoltare i nervi

La sfida tecnologica comporta puntare con precisione parti specifiche del cervello per ascoltare. Il dispositivo deve ricevere segnali da aree con dimensioni grosso modo del diametro di un capello umano, alcuni centimetri in profondità all'interno del cervello.

Uno dei modi è posizionare un piccolo numero di toppe flessibili di antenna sul cranio per creare quella che chiamiamo 'lente cerebrale'. Confrontando le letture di diverse toppe possiamo puntare elettronicamente con precisione i nervi da ascoltare. Stiamo progettando e sperimentando metamateriali - materiali progettati a livello molecolare - che sono particolarmente adatti come antenne ad alta precisione che possono essere sintonizzate per ricevere segnali da posizioni molto specifiche.

Nessun dolore, ma potenzialmente un grande guadagno

Ascoltando le comunicazioni senza fili tra i nervi, possiamo identificare le aree del cervello in cui i campi elettrici indicano che ci sono problemi. Le caratteristiche dettagliate dell'attività di un nervo - o la mancanza di attività - possono offrire indizi su quale problema specifico si sta verificando nel cervello. Questi risultati potrebbero aiutare a diagnosticare le potenziali condizioni mediche molto più facilmente rispetto ai metodi attuali.

Vedi, ad esempio, il caso reale di un paziente, una donna di 38 anni che chiameremo 'Bianca', a cui è stata diagnosticata la sclerosi multipla, una malattia degenerativa del cervello e del midollo spinale, senza cura conosciuta. Il sistema immunitario dei pazienti con sclerosi multipla danneggia la guaina mielinica tra i nodi di Ranvier, causando problemi di comunicazione tra il cervello e il resto del corpo. Questo danno altera radicalmente l'attività nei nervi colpiti.

Per monitorare i progressi della sua malattia, Bianca ha subito prelievi spinali per vedere se il suo fluido spinale ha livelli alti di particolari anticorpi associati alla SM. Ha anche avuto scansioni MRI per rivelare le aree del suo cervello in cui la mielina è danneggiata e dovrà affrontare test aggiuntivi per determinare la velocità con cui le informazioni fluiscono attraverso il suo sistema nervoso.

L'uso di una 'lente cerebrale' permetterebbe ai medici di monitorare il cervello di Bianca senza prelievi spinali dolorosi e senza scansioni a risonanza magnetica poco confortevoli e lunghe. Può un giorno permettere a Bianca di monitorare da sola il proprio cervello e inviare i dati al suo specialista per essere valutati.

Trattamento terapeutico senza farmaci e chirurgia

Inoltre, speriamo che il nostro approccio possa portare a nuove terapie che siano anche più facili per i pazienti. Al momento, Bianca sta assumendo diversi farmaci che comportano rischi significativi per la salute e spesso le provocano nausea e fatica. Lei è una delle tante, che vuole provare una diversa opzione terapeutica.

Questo lavoro prevede di andare oltre l'identificazione delle regioni del suo cervello in cui i campi elettrici indicano condizioni malsane. Ispirati alla gestione della rete informatica e alle reti digitali avanzate, che dirigono i segnali intorno alle aree danneggiate o interrotte, stiamo sviluppando un metodo con cui il nostro sistema di toppe nel cranio potrebbe inviare messaggi anche al cervello.

Ogni fibra nervosa danneggiata è generalmente una delle migliaia imballate insieme in un tratto di fibre nervose, dove le fibre nervose vicine sono in genere in buona salute. Il nostro dispositivo potrebbe aiutare a identificare i siti con danni alla mielina e seguire a ritroso quelle fibre nervose prima del punto di danno, per raccogliere i segnali non disturbati. Quindi useremmo la 'lente cerebrale' per trasmettere campi elettrici complementari nel cervello, inviando quei segnali sani alle aree attorno al danno della mielina, per incoraggiare le fibre nervose vicine a trasportare i messaggi, azione impossibile per la fibra danneggiata.

Finora, siamo riusciti a simulare questo approccio in un ambiente di supercomputer in cui i parametri del nervo cerebrale sono stati forniti da laboratori di ricerca clinica. Nei prossimi mesi costruiremo e testeremo un prototipo di lente cerebrale. Ascoltare il cervello e comunicare con esso offre una nuova affascinante serie di possibilità per la diagnosi e il trattamento medico senza intervento chirurgico.