I ricercatori dell’Università della California di San Diego hanno sviluppato un impianto neurale che fornisce informazioni sull’attività in profondità all’interno del cervello mentre si trova sulla sua superficie. L’impianto è costituito da una striscia di polimero sottile, trasparente e flessibile che è confezionata con una fitta serie di elettrodi di grafene. La tecnologia, testata su topi transgenici, porta i ricercatori un passo più vicino alla costruzione di un’interfaccia cervello-computer (BCI) minimamente invasiva che fornisce dati ad alta risoluzione sull’attività neurale profonda utilizzando registrazioni dalla superficie del cervello.
I ricercatori dell’Università della California di San Diego hanno sviluppato un impianto neurale che fornisce informazioni sull’attività in profondità all’interno del cervello mentre si trova sulla sua superficie.
L’impianto è costituito da una striscia di polimero sottile, trasparente e flessibile che è confezionata con una fitta serie di elettrodi di grafene.
La tecnologia, testata su topi transgenici, porta i ricercatori un passo più vicino alla costruzione di un’interfaccia cervello-computer (BCI) minimamente invasiva che fornisce dati ad alta risoluzione sull’attività neurale profonda utilizzando registrazioni dalla superficie del cervello.
Il lavoro è stato pubblicato l’11 gennaio su Nature Nanotechnology.
“Stiamo espandendo la portata spaziale delle registrazioni neurali con questa tecnologia”, ha detto l’autore senior dello studio Duygu Kuzum, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering.
“Anche se il nostro impianto risiede sulla superficie del cervello, il suo design va oltre i limiti del rilevamento fisico in quanto può dedurre l’attività neurale da strati più profondi”.
Questo lavoro supera i limiti delle attuali tecnologie di impianto neurale. Gli impianti di superficie esistenti, ad esempio, sono minimamente invasivi, ma non hanno la capacità di catturare informazioni oltre gli strati esterni del cervello.
Al contrario, gli impianti di elettrodi con aghi sottili che penetrano nel cervello sono in grado di sondare strati più profondi, ma spesso portano a infiammazioni e cicatrici, compromettendo la qualità del segnale nel tempo.
Il nuovo impianto neurale sviluppato presso l’UC San Diego offre il meglio di entrambi.
L’impianto è una striscia di polimero sottile, trasparente e flessibile che si adatta alla superficie del cervello. La striscia è incorporata con una serie ad alta densità di minuscoli elettrodi circolari in grafene, ciascuno dei quali misura 20 micrometri di diametro. Ogni elettrodo è collegato da un filo di grafene sottile come micrometri a un circuito stampato.
Nei test su topi transgenici, l’impianto ha permesso ai ricercatori di acquisire informazioni ad alta risoluzione su due tipi di attività neurale: l’attività elettrica e l’attività del calcio, allo stesso tempo.
Quando è stato posizionato sulla superficie del cervello, l’impianto ha registrato i segnali elettrici dei neuroni negli strati esterni.
Allo stesso tempo, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio a due fotoni per far brillare la luce laser attraverso l’impianto per visualizzare i picchi di calcio dai neuroni situati fino a 250 micrometri sotto la superficie.
I ricercatori hanno trovato una correlazione tra i segnali elettrici superficiali e i picchi di calcio negli strati più profondi. Questa correlazione ha permesso ai ricercatori di utilizzare i segnali elettrici di superficie per addestrare le reti neurali a prevedere l’attività del calcio, non solo per grandi popolazioni di neuroni, ma anche per singoli neuroni, a varie profondità.
“Il modello di rete neurale è addestrato per apprendere la relazione tra le registrazioni elettriche di superficie e l’attività degli ioni calcio dei neuroni in profondità”, ha detto Kuzum.
“Una volta appresa questa relazione, possiamo utilizzare il modello per prevedere l’attività di profondità dalla superficie”.
Un vantaggio di essere in grado di prevedere l’attività del calcio dai segnali elettrici è che supera i limiti degli esperimenti di imaging.
Quando si visualizzano picchi di calcio, la testa del soggetto deve essere fissata al microscopio. Inoltre, questi esperimenti possono durare solo per un’ora o due alla volta.
“Poiché le registrazioni elettriche non hanno queste limitazioni, la nostra tecnologia consente di condurre esperimenti di durata più lunga in cui il soggetto è libero di muoversi ed eseguire compiti comportamentali complessi”, ha detto il co-primo autore dello studio Mehrdad Ramezani, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica e informatica nel laboratorio di Kuzum. “Questo può fornire una comprensione più completa dell’attività neurale in scenari dinamici del mondo reale”.
Il team si concentrerà poi sulla sperimentazione della tecnologia in diversi modelli animali, con l’obiettivo finale della traduzione umana in futuro.
Il gruppo di ricerca di Kuzum si dedica anche all’utilizzo della tecnologia per far progredire la ricerca neuroscientifica di base. In questo spirito, stanno condividendo la tecnologia con laboratori negli Stati Uniti e in Europa, contribuendo a diversi studi che vanno dalla comprensione di come l’attività vascolare è accoppiata all’attività elettrica nel cervello allo studio di come le cellule di posizione nel cervello siano così efficienti nel creare memoria spaziale.
Per rendere questa tecnologia più ampiamente disponibile, il team di Kuzum ha richiesto una sovvenzione del National Institutes of Health (NIH) per finanziare gli sforzi per aumentare la produzione e facilitarne l’adozione da parte dei ricercatori di tutto il mondo.
“Questa tecnologia può essere utilizzata per così tante diverse indagini neuroscientifiche fondamentali e siamo ansiosi di fare la nostra parte per accelerare i progressi nella migliore comprensione del cervello umano”, ha detto Kuzum.
Immagine: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
