Elettrodi flessibili a tentacolo misurano con precisione l'attività cerebrale

I pacemaker cerebrali sono diventati normali. Si stima che 200.000 persone in tutto il mondo sponsorizzino elettrodi nel cervello che forniscono impulsi elettrici ad alcune aree del cervello. Le persone affette dal morbo di Parkinson o da spasmi muscolari patologici, ad esempio, beneficiano di tali sonde cerebrali. Secondo Mehmet Fatih Yanik, professore di neurotecnologia presso l'ETH di Zurigo, la ricerca amplierà notevolmente le possibilità di questa tecnologia: invece di stimolare semplicemente il cervello con queste sonde, gli stessi elettrodi possono essere utilizzati anche per registrare l'attività delle cellule cerebrali. Queste registrazioni possono essere analizzate per individuare anomalie associate a disturbi neurologici o psichiatrici. In una fase successiva, è ipotizzabile che queste anomalie e malattie possano a loro volta essere trattate con impulsi elettrici.

A questo scopo, Yanik e il suo team hanno sviluppato un nuovo tipo di elettrodo che consente registrazioni più dettagliate e precise dell'attività cerebrale per un periodo di tempo più lungo. Gli elettrodi sono costituiti da fasci di fibre estremamente sottili e flessibili fatte di oro e rivestite di un polimero. Un processo sviluppato dai ricercatori del Fare all'ETH permette di inserire questi fasci molto lentamente nel cervello. Non causano quindi alcun danno rilevabile al tessuto cerebrale.

I nuovi elettrodi differiscono quindi in modo significativo dalle tecnologie precedenti, tra cui quella dell'azienda Neuralink di Elon Musk è probabilmente la più nota al pubblico. Tutte le tecnologie precedenti, compresa quella di Neuralink, funzionano con sonde piuttosto grossolane. "Più la sonda è grossolana, maggiore è il rischio di danneggiare il tessuto cerebrale", spiega Yanik. "I nostri elettrodi sottili hanno anche il vantaggio di inserirsi tra le proiezioni allungate delle cellule nervose del cervello. Inoltre, hanno uno spessore pari a quello delle estensioni delle cellule".

I ricercatori hanno testato i nuovi elettrodi sui ratti, nel cui cervello hanno impiantato quattro fasci di 64 fibre d'oro ciascuno. In linea di principio, per studiare l'attività di un numero ancora maggiore di cellule cerebrali si potrebbero utilizzare anche diverse centinaia di fibre di elettrodi, come spiega Yanik. Gli elettrodi sono collegati a un piccolo dispositivo di registrazione fissato alla testa, motivo per cui i topi erano in grado di muoversi liberamente.

Nessuna influenza sull'attività cerebrale

Negli esperimenti, i ricercatori hanno potuto confermare che le sonde sono biocompatibili e non influiscono sulle funzioni cerebrali. Poiché gli elettrodi sono molto vicini alle cellule nervose, la qualità del segnale è molto buona. Il rumore di fondo è solo la metà rispetto ad altri metodi.

I ricercatori hanno anche dimostrato che gli elettrodi flessibili sono adatti a misurazioni a lungo termine: I ricercatori hanno registrato i segnali delle stesse cellule negli animali per tutta la durata dell'esperimento, che è durato dieci mesi. Le indagini hanno dimostrato che in questo periodo non si sono verificati danni ai tessuti cerebrali. Un altro vantaggio è che, poiché i fasci si diramano in diverse direzioni, possono raggiungere diverse aree del cervello.

Presto sarà testato sull'uomo

Nello studio, i ricercatori hanno utilizzato i nuovi elettrodi per tracciare e analizzare l'attività delle cellule nervose in varie regioni cerebrali dei ratti per diversi mesi. Sono stati in grado di registrare che le cellule nervose di diverse regioni erano attive in modo sincrono. Questo fenomeno è noto come co-attivazione e gli scienziati ritengono che questa interazione sincronizzata su larga scala delle cellule cerebrali sia fondamentale per l'elaborazione di informazioni complesse e la formazione dei ricordi. "Il nostro metodo è estremamente interessante per la ricerca fondamentale che studia queste funzioni e i loro disturbi nelle malattie neurologiche e psichiatriche", spiega Yanik.

I ricercatori dell'ETH hanno collaborato con i colleghi dell'University College di Londra per testare l'uso dei nuovi elettrodi a fini diagnostici nel cervello umano. In particolare, stanno esaminando i pazienti affetti da epilessia che non rispondono alla terapia farmacologica. Per aiutarli, i neurochirurghi rimuovono una piccola parte del cervello da cui hanno origine le crisi. La nuova tecnologia verrà utilizzata prima dell'asportazione del tessuto per localizzare con precisione l'area cerebrale interessata.

Interfacce cervello-macchina

In futuro, i ricercatori intendono utilizzare i nuovi elettrodi anche per stimolare le cellule cerebrali negli esseri umani. "Questo potrebbe contribuire allo sviluppo di terapie efficaci per le persone affette da malattie neurologiche e psichiatriche", afferma Yanik. In caso di depressione, schizofrenia o disturbo ossessivo-compulsivo, l'elaborazione delle informazioni nelle regioni cerebrali colpite è spesso interrotta. Con l'aiuto di questi elettrodi, potrebbe essere possibile riconoscere i segnali delle reti neuronali del cervello associate alla malattia e, in una seconda fase, modificarli per aiutare i pazienti. Yanik sta anche pensando alle interfacce cervello-macchina per le persone con lesioni cerebrali. Gli elettrodi potrebbero aiutare a riconoscere le intenzioni del paziente e a controllare una protesi o un sistema di riproduzione vocale.

Questa ricerca è stata finanziata in parte da un ERC Consolidator Grant del Consiglio europeo della ricerca, che Mehmet Fatih Yanik ha ricevuto nel 2018, e dal programma Sinergia del Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica.