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Piccoli elettrodi per il cervello
Un nuovo tipo di nanoelettrodo polimerico potrebbe rendere gli impianti cerebrali, compresi quelli usati per trattare casi gravi di Parkinson, molto più sicuri e potrebbe anche rendere più fattibili i tentativi di ripristinare la vista e il movimento con interfacce dirette cervello-macchina. Rodolfo Llinas , professore di neuroscienze alla New York University, e ricercatori del MIT hanno sviluppato un elettrodo a nanocavi largo appena 600 nanometri in grado di inviare e ricevere segnali al cervello.
I ricercatori della NYU e del MIT hanno sviluppato un elettrodo flessibile in grado di inviare o ricevere segnali dalle cellule cerebrali. L'elettrodo può essere inserito nel cervello attraverso i vasi sanguigni, eliminando la necessità di aprire il cranio del paziente per alcuni trattamenti neurologici. (Per gentile concessione di Zina Deretsky, National Science Foundation.)
L'elettrodo sviluppato da Llinas e colleghi è così piccolo che potrebbe essere inserito attraverso un'arteria, forse nel braccio o nell'inguine, e infilato fino al cervello. Poiché l'elettrodo è una piccola frazione delle dimensioni di un globulo rosso ed è flessibile, può essere fatto scorrere attraverso i vasi sanguigni più piccoli, avvicinandosi abbastanza ai neuroni nelle profondità del cervello da rilevare e fornire segnali elettrici.
[ Clicca qui per le immagini dell'elettrodo nei vasi sanguigni.]
Un trattamento attuale per i casi gravi di Parkinson, chiamato stimolazione cerebrale profonda, prevede l'impianto di elettrodi che forniscono impulsi elettrici ad alta frequenza che disattivano le parti del cervello responsabili dei sintomi della malattia (vedi Pacemaker cerebrali). Tali trattamenti, tuttavia, sono rischiosi e costosi, in parte, perché richiedono l'apertura del cranio del paziente per inserire chirurgicamente gli elettrodi nel tessuto cerebrale.
Gli elettrodi convenzionali, che ora misurano in millimetri, possono anche danneggiare i vasi sanguigni nel cervello, afferma Joseph Pancrazio, direttore del programma per i progetti di ingegneria neurale presso l'Istituto nazionale dei disturbi neurologici e dell'ictus (NINDS), uno dei National Institutes of Health. Sfruttando le nanodimensioni per infilare gli elettrodi attraverso il sistema vascolare, si può ridurre il rischio di ictus, dice. Questo è un modo completamente fuori dagli schemi per pensare all'attivazione della stimolazione cerebrale profonda. Penso che ci possano essere vantaggi in termini di sicurezza, efficacia, robustezza e biocompatibilità. Certamente è un'area che dobbiamo considerare seriamente.
Non dover aprire il cranio sarebbe un chiaro vantaggio rispetto a quello che stiamo facendo ora, dice Jeff Bronstein , neurologo della UCLA Medical School, che afferma che migliaia di pazienti affetti da Parkinson sono stati sottoposti a procedure di stimolazione cerebrale profonda.
John Heiss, neurochirurgo del NINDS, avverte che sarà prima necessario dimostrare che i nanofili non causano complicazioni, come i coaguli di sangue. Nota anche che, sebbene la testa non avrebbe bisogno di essere aperta, tale procedura richiederebbe comunque un intervento chirurgico invasivo. Heiss dice, tuttavia, che se la procedura si dimostra sicura, potrebbe rendere la stimolazione cerebrale profonda un'alternativa più attraente nelle prime fasi del Parkinson.
Oltre all'uso nella stimolazione cerebrale profonda, Llinas afferma che i suoi elettrodi potrebbero rilevare segnali, ad esempio, nell'area del cervello di una persona responsabile della direzione del movimento del braccio. Questi segnali potrebbero quindi essere utilizzati per guidare un braccio robotico, ripristinando alcune capacità delle persone paralizzate da lesioni cerebrali e del midollo spinale. Llinas afferma che la prima applicazione degli elettrodi a nanofili potrebbe essere quella di indirizzare gli impulsi nervosi attorno alle aree danneggiate del midollo spinale, ad altri nervi o direttamente ai muscoli, ripristinando eventualmente la funzione degli arti paralizzati.
I nanoelettrodi potrebbero anche svolgere un ruolo nel miglioramento degli impianti cocleari utilizzati per ripristinare l'udito. Poiché gli elettrodi sono così piccoli, potrebbe essere possibile aumentare il numero di elettrodi utilizzati in un impianto cocleare, per stimolare una regione più ampia e dare più colore al suono, afferma Patrick Anquetil , un borsista post-dottorato in ingegneria meccanica al MIT e uno dei ricercatori del progetto. Dice che i primi usi commerciali degli elettrodi a nanofili sono probabilmente ancora tra cinque anni.
In futuro, i ricercatori hanno in programma di costruire elettrodi orientabili. Per fare ciò, utilizzeranno un polimero che si contrae in risposta all'elettricità. Un fascio di tali nanofili potrebbe essere diretto, facendo contrarre nanofili selezionati.
I ricercatori pensano che, alla fine, il fascio di nanofili potrebbe in parte orientarsi da solo. Anquetil afferma di aver realizzato polimeri che fungono da sensori di pressione e vedono la possibilità di utilizzare polimeri semiconduttori come base per semplici interruttori elettrici. Una cosa che ci entusiasma davvero è, in linea di principio, non c'è motivo per cui, con lo stesso materiale, non si possa costruire un intero sistema in cui si hanno contrazione, misurazione, rilevamento e calcolo.
Mentre i primi fasci userebbero relativamente pochi elettrodi, migliaia potrebbero eventualmente essere raggruppati insieme per formare un pacchetto non più largo delle sonde di 1-2 millimetri che Llinas dice che sono usate oggi nel cervello. Una volta vicino all'area mirata, i nanofili potrebbero separarsi. I fili si sarebbero quindi allargati, spinti in una rete ramificata di capillari. Ciò consentirebbe ai ricercatori di monitorare e fornire impulsi ai singoli neuroni nel profondo del cervello in un'area distribuita, un'abilità che potrebbe rivelarsi un vantaggio per i ricercatori del cervello ora limitati all'utilizzo di matrici relativamente piccole di elettrodi.