Un coltellino svizzero per le neuroscienze

A sinistra: i riccioli di polimeri sono il punto di partenza per realizzare una sonda neurale multifunzionale. In un'officina meccanica, verranno aggiunti modelli di barre metalliche conduttive, plastica trasparente o spazi vuoti, creando una preforma.

A destra: la preforma viene caricata in questa torre di trafilatura di fibre alta 12 piedi.

Negli ultimi anni sono stati sviluppati vari nuovi potenti strumenti per esplorare e manipolare il cervello. Alcuni usano l'elettronica, mentre altri usano la luce o le sostanze chimiche.

In un laboratorio del MIT, la scienziata dei materiali Polina Anikeeva ha trovato un modo per produrre quello che equivale a un coltellino svizzero per la scienza del cervello. Le sonde neurali che costruisce trasportano luce mentre raccolgono e trasmettono elettricità e hanno anche minuscoli canali attraverso i quali pompare farmaci.

Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 2015

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Questo è un progresso rispetto ai fili metallici o agli elettrodi di silicio usati convenzionalmente per studiare i neuroni. Anikeeva realizza le sonde assemblando polimeri e metalli in blocchi su larga scala, o preforme, e poi allungandoli in fibre flessibili e ultrasottili.

Polina Anikeeva

Le fibre multifunzionali offrono nuovi modi per studiare il comportamento degli animali, poiché possono registrare dai neuroni oltre a stimolarli. Potrebbero anche derivarne nuovi tipi di tecnologia medica. Immagina, come fa Anikeeva, un cablaggio bionico che collega una lesione del midollo spinale, raccogliendo segnali elettrici dal cervello e trasmettendoli ai muscoli di una mano paralizzata.

Anikeeva ha realizzato la sua prima sonda multifunzionale mentre studiava a Stanford. Era rozzo: ha semplicemente avvolto fili di metallo attorno a un filamento di vetro. Ma questo ha permesso di combinare le misurazioni degli elettrodi standard con una nuova tecnologia, l'optogenetica, in cui la luce viene sparata ai neuroni per attivarli o spegnerli.

Ora Anikeeva, professoressa di scienza dei materiali e ingegneria, realizza sonde utilizzando una tecnologia di trafilatura delle fibre sviluppata da un altro ricercatore del MIT, Yoel Fink. Si basa sul modo in cui la silice viene riscaldata e tirata per formare la fibra per telecomunicazioni. Ma funziona a temperature più basse, alle quali molti polimeri utili diventano abbastanza morbidi da allungarsi.

Le fibre polimeriche presentano un paio di importanti vantaggi. Uno è che sono flessibili e imitano le proprietà fisiche dei tessuti. Ciò potrebbe consentire loro di lavorare più a lungo degli elettrodi di metallo rigido su cui i neuroscienziati hanno fatto affidamento, consentendo studi a lungo termine sugli animali. La seconda caratteristica delle fibre è che possono combinare molte funzioni. Le sonde realizzate finora hanno incorporato fino a 36 microfili, guide d'onda ottiche e canali cavi per il trasporto di medicinali. Non c'è motivo per non incorporare sensori per misurare anche la temperatura o la pressione. All'interno del corpo, i materiali e le strutture giusti potrebbero persino invogliare i nervi ad attaccarsi alle fibre, nel modo in cui l'osso si fonde con un impianto dell'anca.

Il processo di trafilatura delle fibre riduce i modelli di grandi dimensioni a quelli microscopici, preservando i dettagli. Ma ci sono sfide. I minuscoli fili e tubi devono essere spellati, allargati e saldati a mano per collegarli a componenti come un dispositivo di registrazione che un mouse indossa sulla testa. È un vero incubo, dice Andres Canales, uno studente laureato, che spera di risolvere il problema.

I biocavi polimerici saranno ciò che alla fine cura la paralisi, diciamo, traghettando i segnali nervosi attraverso un midollo spinale ferito? Penso che sarà una versione di questa tecnologia, una versione più sofisticata, dice Anikeeva. Almeno seguiremo questa strada.

3. Una raccolta di avanzi di preforme dopo il disegno. Le barre di indio-stagno sono visibili in ciò che resta della preforma al centro.

4. La fibra viene estratta dal forno dopo essere stata riscaldata a 350 °C. Un micrometro (luce rossa) controlla la dimensione della fibra.

5. Ogni preforma viene aspirata fino a un chilometro di fibra. Ora è spesso circa 1/100 di quanto era originariamente.

6. Una fibra si impregna di THF, un solvente, per rimuovere un rivestimento protettivo.

7. Una sezione trasversale di una fibra larga 0,35 millimetri contenente quattro elettrodi, un canale del fluido e una guida d'onda a forma di anello. A destra, la luce brilla attraverso la guida d'onda.

8. Questo topo ha una fibra impiantata nel cervello. Sulla sua testa sono visibili un circuito stampato, una porta per introdurre la luce e altre due per iniettare droghe.

9. La stimolazione ottica del cervello del topo produce l'attività elettrica registrata qui.

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