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Far sentire i sordomuti con la luce
Circa 100.000 persone profondamente sorde ora sentono con impianti cocleari, che funzionano stimolando il nervo uditivo con una serie di elettrodi impiantati nell'orecchio interno. Sebbene i dispositivi consentano a molti utenti di conversare facilmente e di utilizzare i telefoni, non riescono ancora a ripristinare l'udito normale. Ora gli scienziati della Northwestern University stanno esplorando se un giorno gli impianti basati su laser potrebbero superare la versione elettrica di oggi.
Effetti sonori: Un impianto cocleare ottico aggirerebbe queste cellule ciliate dell'orecchio interno (sopra), che non sono funzionali in molti casi di sordità profonda. La radiazione ottica stimolerebbe i neuroni che sono normalmente attivati dal movimento di queste fibre microscopiche in risposta alle vibrazioni sonore.
L'orecchio dei mammiferi utilizza frequenze di scarica neurali come un modo per codificare il suono. Nell'ambito di un progetto finanziato dall'Istituto nazionale per la sordità e altri disturbi della comunicazione (NIDCD), Claus Peter Richter e i suoi colleghi della Northwestern hanno dimostrato di poter controllare i tassi di sparo nel nervo uditivo degli animali utilizzando la radiazione laser a infrarossi. Ora stanno cercando di stabilire che è sicuro da usare per lunghi periodi di tempo e che può manipolare i tassi di attivazione neurale con una precisione sufficiente per inviare informazioni utili al cervello.
Con gli impianti cocleari convenzionali, i segnali elettrici si diffondono nell'ambiente umido e salato del corpo, confondendo il segnale. Ciò rende difficile l'attivazione di specifiche popolazioni di nervi all'interno della coclea. A complicare ulteriormente le cose, gli impulsi simultanei in posizioni diverse si fondono tra loro, stimolando la coclea ovunque invece che nelle posizioni desiderate.
Gli ingegneri aggirano il problema attivando solo uno o due dei 16 o 24 elettrodi nell'orecchio interno alla volta. È fatto così rapidamente che l'utente ha l'illusione che tutti gli elettrodi stiano sparando, ma il risultato è ancora una simulazione relativamente grezza dell'udito normale. Per molti utenti di impianti cocleari, le voci suonano meccaniche e i suoni musicali sbiaditi.
Un laser a infrarossi, d'altra parte, può essere irradiato sulle fibre nervose con la massima precisione. Inoltre, la natura direzionale della luce laser significa che gli impulsi ottici in luoghi diversi non interferiranno tra loro. La maggiore precisione della stimolazione neurale renderebbe le voci e la musica più naturali e gli utenti sarebbero in grado di conversare più facilmente in ambienti rumorosi.
Sebbene non sia ancora chiaro il motivo per cui la radiazione infrarossa possa innescare l'attività nei nervi uditivi, Richter ipotizza che riscaldi leggermente le cellule, aprendo canali ionici nelle pareti cellulari e inviando un segnale elettrico lungo la lunghezza del neurone.
Una delle principali domande è se sia sicuro stimolare i nervi in questo modo per lunghi periodi di tempo. Finora, Richter e i suoi colleghi hanno dimostrato che i nervi uditivi nei gerbilli anestetizzati possono essere stimolati con radiazioni laser infrarosse per un massimo di sei ore senza danni. Al momento non è possibile eseguire i test più a lungo, ma Richter sta pianificando studi a lungo termine su animali con dispositivi impiantati in modo permanente.
I ricercatori stanno anche cercando di capire come controllare con precisione l'attività dei neuroni con i laser. L'orecchio codifica il tono e il volume non solo attivando i nervi in punti particolari, ma anche modificando il Vota a cui sparano. Finora, Richter ha dimostrato che la radiazione laser può far sì che i neuroni si attivino in modo affidabile fino a 250 volte al secondo, il che è paragonabile alla velocità con cui gli impianti cocleari convenzionali dei primi modelli guidano i neuroni.
Gli studi sull'uomo sono lontani anni, ma ci sono diversi modi in cui la tecnologia a infrarossi potrebbe essere utilizzata per costruire un impianto cocleare funzionante. Uno è quello di utilizzare fibre ottiche invece di elettrodi in una matrice inserita all'interno della coclea, in modo un po' simile al modo in cui gli impianti cocleari convenzionali ora utilizzano gli elettrodi. Le prime prove di un tale sistema potrebbero comportare la sostituzione di uno o due elettrodi di un impianto convenzionale con fibre ottiche per testarne l'effetto. Un altro è mettere un fascio di fibre ottiche davanti alla finestra rotonda della coclea per stimolare i neuroni uditivi senza aprire la coclea. (La finestra rotonda è una sottile membrana nella coclea che assorbe lo spostamento del fluido mentre le onde sonore la attraversano.)
Una possibilità ancora più futuristica è quella di utilizzare la terapia genica per rendere i neuroni uditivi sensibili a particolari lunghezze d'onda della luce. Al MIT, Ed Boyden ha alterato i geni delle cellule nervose in modo che si attivino quando esposti a una lunghezza d'onda della luce e smettano di sparare quando esposti a un'altra. Secondo Richter, questo approccio richiederebbe meno energia per attivare le cellule, il che potrebbe essere più sicuro a lungo termine. Naturalmente, questo approccio comporta tutti gli avvertimenti che tipicamente accompagnano la terapia genica e richiederebbe un modo per fornire con precisione la terapia genica alle cellule uditive interessate.
Se dimostrata sicura ed efficace, la stimolazione ottica potrebbe aprire interfacce di stimolazione ad altissima densità per il sistema nervoso periferico, afferma Boyden. Il processo di combinazione di ottica e neuroni potrebbe anche aprire la strada a molte innovazioni future, andando oltre l'elettrodo onnipresente verso nuove modalità di controllo neurale.