211service.com
Interfacce cerebrali fatte di seta
I medici possono posizionare serie di elettrodi sulla superficie del cervello per individuare la fonte delle crisi epilettiche; i pazienti possono utilizzare tali elettrodi per controllare un cursore del computer. Ma non è ancora sicuro lasciare questi dispositivi nel cervello a lungo termine, e questa è una qualità che deve essere sviluppata prima che i ricercatori possano sviluppare migliori interfacce cervello-computer.
Seta sul cervello: Elettrodi sottili e flessibili montati su un substrato di seta biodegradabile potrebbero fornire una migliore interfaccia cervello-macchina. Il dispositivo avvolge le fessure nella superficie del cervello, come mostrato in questo modello.
Ora un gruppo di ricercatori sta costruendo elettronica biocompatibile su substrati sottili e flessibili. Il gruppo spera di creare interfacce neurali che prendano misurazioni a risoluzione più elevata rispetto a quelle disponibili oggi senza irritare o cicatrizzare il tessuto cerebrale.
La biocompatibilità è una sfida importante per le nuove generazioni di impianti medici, afferma Brian Litta , professore di neurologia e bioingegneria presso la University of Pennsylvania Medical School. Volevamo realizzare dispositivi ultrasottili e inseribili nel cervello attraverso piccoli fori nel cranio, realizzati con materiali biocompatibili, afferma. Litt sta lavorando con i ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign che stanno costruendo elettronica flessibile ad alte prestazioni da silicio e altri materiali convenzionali su substrati di film di seta biodegradabili e meccanicamente resistenti forniti dai ricercatori della Tufts University.
Questa settimana sul diario Materiali della natura , il team riferisce di utilizzare un dispositivo con elettrodi di seta per misurare l'attività elettrica dalla superficie del cervello nei gatti. La seta è meccanicamente resistente, il che significa che i film possono essere arrotolati e inseriti attraverso un piccolo foro nel cranio, ma possono dissolversi in biomolecole innocue nel tempo. Quando viene posizionato sul tessuto cerebrale e bagnato con soluzione salina, un film di seta si avvolgerà intorno alla superficie del cervello, portando con sé gli elettrodi nelle rughe del tessuto. Gli array di elettrodi di superficie convenzionali non possono raggiungere queste fessure, che costituiscono una grande quantità della superficie del cervello.
Un dispositivo come questo aprirebbe completamente nuove strade in tutte le neuroscienze e le applicazioni cliniche, afferma Gerwin Schalk , un ricercatore presso il Wadsworth Center di Albany, NY, che non è affiliato al gruppo degli elettrodi di seta. Quello che prevedo è posizionare un dispositivo a base di seta intorno al cervello e ottenere un'immagine continua della funzione cerebrale per settimane, mesi o anni, ad alta risoluzione spaziale e temporale.
Il vantaggio degli elettrodi di superficie rispetto a quelli impiantati è che non causano cicatrici, afferma Andrew Schwartz , professore di neurobiologia all'Università di Pittsburgh. Nel 2008, Schwartz ha dimostrato che una scimmia con un elettrodo nel cervello può controllare un braccio protesico per nutrirsi. Questo design è ancora migliore perché ha una dimensione caratteristica relativamente piccola ed è flessibile: potrebbe rendere questi impianti meno traumatici, dice. Ciò che sarebbe davvero bello è se potessi amplificare il segnale vicino al punto in cui lo raccogli per ridurre il rumore e multiplexare il segnale per ridurre il numero di fili necessari, afferma Schwartz.
I ricercatori dell'elettronica della seta affermano che questo è il loro prossimo passo e una delle principali promesse della tecnologia. Hanno già dimostrato array di transistor al silicio sottili e flessibili costruiti su seta e li hanno testati sugli animali, ma non ancora nel cervello. Schwartz afferma che altri gruppi hanno riconosciuto l'importanza del multiplexing e dell'amplificazione del segnale, ma hanno lavorato con circuiti stampati rigidi che non sono altrettanto biocompatibili. L'aggiunta di questi componenti attivi ridurrebbe il numero di fili necessari in questi impianti, che oggi richiedono un filo per sensore. E i dispositivi attivi potrebbero rispondere all'attività cerebrale per fornire stimoli elettrici o rilasciare farmaci. (Uno dei collaboratori al progetto seta, David Kaplan alla Tufts University, ha dimostrato che i dispositivi di seta impiantati nel cervello di piccoli animali possono fornire farmaci antiepilettici.)
L'aggiunta di transistor all'elettronica è attualmente una sfida di progettazione, afferma John Rogers, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. Il design della serie di elettrodi che il suo gruppo ha trovato più compatibile con il tessuto cerebrale è una rete: i fogli solidi non si avvolgono intorno al tessuto cerebrale in modo altrettanto efficace. E aggiungere transistor al silicio alla mesh è più difficile che farlo su un substrato solido. Tuttavia, dice Rogers, tutti i pezzi principali sono a posto e devono solo essere integrati. Con l'ulteriore sviluppo e test per dimostrare che i dispositivi sono sicuri, afferma Rogers, speriamo che questa sia la base per nuove interfacce cervello-macchina di qualità superiore.