Come Smart Dust potrebbe spiare il tuo cervello

Il monitoraggio in tempo reale della funzione cerebrale ha fatto passi da gigante negli ultimi anni. Ciò è in gran parte dovuto a varie nuove tecnologie in grado di monitorare il comportamento collettivo di gruppi di neuroni, come la risonanza magnetica funzionale, la magnetoencefalopatia e la tomografia a emissione di positroni.

Questo lavoro sta rivoluzionando la nostra comprensione del modo in cui il cervello è strutturato e si comporta. Ha anche portato a una nuova disciplina ingegneristica delle interfacce cervello-macchina, che consente alle persone di controllare le macchine solo con il pensiero.

Per quanto impressionanti siano queste tecniche, tutte soffrono di limitazioni intrinseche come una risoluzione spaziale limitata, una mancanza di portabilità e un'estrema invasività.

Oggi, Dongjin Seo e compagni dell'Università della California Berkeley rivelano un modo completamente nuovo di studiare e interagire con il cervello. La loro idea è quella di spruzzare sensori elettronici delle dimensioni di particelle di polvere nella corteccia e di interrogarli a distanza usando gli ultrasuoni. Gli ultrasuoni alimentano anche questa cosiddetta polvere neurale.

Ogni particella di polvere neurale è costituita da circuiti e sensori CMOS standard che misurano l'attività elettrica nei neuroni vicini. Questo è accoppiato a un materiale piezoelettrico che converte le onde sonore ad altissima frequenza in segnali elettrici e viceversa.

La polvere neurale viene interrogata da un altro componente posto sotto la bilancia ma alimentato dall'esterno del corpo. Questo genera gli ultrasuoni che alimentano la polvere neurale e i sensori che ascoltano la loro risposta, un po' come un sistema RFID.

Il sistema è anche tetherless: i dati vengono raccolti e archiviati all'esterno del corpo per un'analisi successiva.

Questo aggira molti dei limiti. Il sistema ha una potenza inferiore, può avere un'elevata risoluzione spaziale ed è facilmente trasportabile. È anche robusto e può potenzialmente fornire un collegamento per lunghi periodi di tempo. Un grosso ostacolo nelle interfacce cervello-macchina (BMI) è la mancanza di un sistema di interfaccia neurale impiantabile che rimanga praticabile per tutta la vita, affermano Seo e co.

La difficoltà sta nel progettare e costruire un tale sistema e il documento di oggi è uno studio teorico di queste sfide. Il primo è il problema di progettare e costruire particelle di polvere neurale su una scala di circa 100 micrometri in grado di inviare e ricevere segnali nell'ambiente duro, caldo e rumoroso all'interno del corpo.

Ecco perché Seo e co hanno scelto gli ultrasuoni per inviare e ricevere dati. Calcolano che la potenza richiesta per utilizzare le onde elettromagnetiche sulla bilancia genererebbe una quantità dannosa di calore a causa della quantità di energia che il corpo assorbe e dei preoccupanti rapporti segnale-rumore su questa scala.

Al contrario, gli ultrasuoni sono molto più efficienti e dovrebbero consentire la trasmissione di una potenza almeno 10 milioni di volte maggiore rispetto alle onde elettromagnetiche della stessa scala.

Poi c'è il problema di collegare l'elettronica al sistema piezoelettrico che converte gli ultrasuoni in segnali elettronici e viceversa. Garantire che il sistema funzioni in modo efficiente sarà complicato dato che deve essere confezionato in un polimero inerte o in un film isolante (che deve anche esporre gli elettrodi di registrazione ai neuroni vicini).

Infine, c'è la sfida di progettare e costruire il sistema di interrogazione che genera gli ultrasuoni per alimentare l'intero array ma a una potenza sufficientemente bassa da evitare il riscaldamento del cranio e del cervello.

In cima a tutto questo c'è la sfida aggiuntiva di impiantare le particelle di polvere neurale nella corteccia. Seo e co dicono che questo può probabilmente essere fatto fabbricando le particelle di polvere sulle punte di una serie di fili sottili, tenute in posizione dalla tensione superficiale, per esempio. Questa matrice verrebbe immersa nella corteccia dove le particelle di polvere vengono incorporate.

Questa è una visione ambiziosa piena di sfide oltre lo stato dell'arte. Tuttavia, il team ha una solida esperienza nei sistemi nanoelettromeccanici e nell'interfaccia tra sistemi elettronici e celle.

In effetti, uno degli autori, Michel Maharbiz, ha sviluppato il primo coleottero telecomandato al mondo alcuni anni fa, uno sviluppo che è stato nominato una delle 10 migliori tecnologie emergenti del 2009 da Technology Review.

Questi ragazzi chiaramente non hanno paura di affrontare grandi sfide. Sarà interessante vedere come se la caveranno.

Rif: arxiv.org/abs/1307.2196 : Polvere neurale: una soluzione a ultrasuoni ea bassa potenza per interfacce croniche cervello-macchina

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