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Un impianto cerebrale che utilizza la luce
I ricercatori di Medtronic stanno sviluppando un prototipo di impianto neurale che utilizza la luce per alterare il comportamento dei neuroni nel cervello. Il dispositivo si basa sulla scienza emergente della neuromodulazione optogenetica, in cui cellule cerebrali specifiche sono geneticamente modificate per rispondere alla luce. Medtronic, il più grande produttore mondiale di tecnologie biomediche, mira a utilizzare il dispositivo per comprendere meglio come le terapie elettriche, attualmente utilizzate per trattare il Parkinson e altri disturbi, alleviano i sintomi di queste malattie. Gli scienziati di Medtronic affermano che utilizzeranno i risultati per migliorare gli stimolatori elettrici che l'azienda già vende, ma altri alla fine sperano di utilizzare le terapie ottiche direttamente come trattamenti.
Terapia della luce: Un neurone (verde) progettato per esprimere una proteina sensibile alla luce si attiva in risposta a specifiche lunghezze d'onda della luce. Un elettrodo di vetro (angolo in basso a sinistra) registra la risposta elettrica del neurone. I ricercatori di Medtronic hanno utilizzato questo sistema per confermare che un nuovo stimolatore impiantabile può attivare correttamente i neuroni con la luce.
Gli impianti neurali odierni funzionano erogando dosi misurate di stimolazione elettrica tramite un elettrodo sottile inserito chirurgicamente attraverso un piccolo foro nel cranio di un paziente, con la punta impiantata in un'area localizzata del cervello. Da quando la Food and Drug Administration degli Stati Uniti ha approvato tali dispositivi stimolatori cerebrali e il trattamento a base elettrica che forniscono – chiamato Deep Brain Stimulation (DBS) – per un disturbo chiamato tremore essenziale nel 1997, per il morbo di Parkinson nel 2002 e per la distonia nel 2003, oltre 75.000 persone le hanno installate. Si pensa che gli impulsi elettrici contrastino l'attività neurale anormale che deriva da diverse malattie, sebbene i medici sappiano poco su come funziona la DBS.
Nonostante il loro successo, tali protesi neurali presentano gravi inconvenienti. Al di là del fatto schietto delle loro posizioni fisiche, stimolano indiscriminatamente i neuroni vicino all'elettrodo. Tale iperattività può scatenare vertigini, formicolio e altri effetti collaterali. Inoltre, producono rumore elettrico che rende difficile il tracciamento di segnali neurali più silenziosi e praticamente impossibile l'uso simultaneo di sistemi di scansione come la risonanza magnetica, il che a sua volta impedisce ai ricercatori di ottenere prove su come funziona effettivamente la DBS.
Negli ultimi anni, gli scienziati hanno sviluppato un modo per stimolare i neuroni utilizzando la luce anziché l'elettricità. I ricercatori introducono prima un gene per una molecola sensibile alla luce, chiamata channelrhodopsin 2 (ChR2), in un sottoinsieme specifico di neuroni. La luce blu brillante su questi neuroni ne provoca l'attivazione. Un vantaggio di questo approccio è la sua specificità: vengono attivati solo i neuroni con il gene. Fornisce anche un modo per spegnere i neuroni, introducendo una molecola diversa, l'alorodopsina (NpHR), che mette a tacere le cellule in risposta alla luce gialla. Questa è l'altra caratteristica unica di questo approccio, afferma Tim Denison, senior engineering manager IC nella divisione neuromodulazione di Medtronic. Ci permette di silenziare l'attività dei neuroni, cosa straordinariamente difficile con l'elettrostimolazione.
Mentre gli scienziati accademici stanno sviluppando nuovi strumenti per fornire luce al cervello, Medtronic sta sviluppando un impianto optogenetico per uso commerciale. Il modulo, che ha all'incirca le dimensioni e la forma di una piccola unità flash USB, dispone di collegamenti dati wireless, un'unità di gestione dell'alimentazione, un microcontrollore e uno stimolatore ottico. Utilizza un cavo in fibra ottica per dirigere la luce da un LED blu o verde ai neuroni bersaglio nel cervello. L'azienda prevede di commercializzare il dispositivo ai ricercatori di neuroscienze e di utilizzarlo per la ricerca interna sugli effetti della DBS.
Gli scienziati di Medtronic sottolineano la primissima natura del dispositivo. Questa è una ricerca per l'uso con modelli animali e attualmente non è pronta per nessun tipo di traduzione umana, sottolinea Denison. Tuttavia, continua: La cosa eccitante è che le terapie oggi rimangono basate su queste idee basate sull'elettricità del 19° secolo. Ora questa nuova tecnologia dirompente offre un'interfaccia unica al sistema nervoso.
Oggi, oltre 500 laboratori stanno applicando strumenti optogenetici a modelli animali di Parkinson, cecità, lesioni spinali, depressione, narcolessia, dipendenza e memoria. Medtronic, che ha costruito la sua attività aprendo la strada all'implementazione sul mercato della ricerca medica, si è ampiamente consultata con i pionieri dell'optogenetica Karl Deisseroth di Stanford e Ed Boyden del MIT per costruire un impianto per supportare questa nuova scienza. (Boyden è un editorialista occasionale per Revisione della tecnologia .)
Per trasformare l'impianto di ricerca in un dispositivo clinico, Medtronic o altri dovranno trovare modi per fornire in modo sicuro i geni necessari a specifici circuiti neurali nel cervello. Denison dice che pensa che lo sviluppo di terapie pratiche basate sull'optogenetica per i pazienti umani sarà graduale. Francamente, questa è una tecnologia su cui posso vedere mio figlio lavorare come dipendente Medtronic, dice.
Boyden del MIT, tuttavia, prevede uno sviluppo più accelerato: penso che sia più nell'arco di tre-10 anni, dice. Boyden ha co-fondato una società, Eos, per sviluppare terapie geniche per curare la cecità. (Poiché si rivolge all'occhio, questa terapia non richiederebbe un impianto.) Jerry Silver della Case-Western University ha una startup, LucCell , che mira a tali terapie per ripristinare la funzione del midollo spinale danneggiata. La terapia genica è un campo in via di maturazione, afferma Silver. C'è un tipo di virus chiamato AAV –virus adeno-associato – che è naturale, che quasi tutti noi già portiamo, che non ha sintomi e che è già stato utilizzato in molte centinaia di pazienti senza un solo evento avverso grave.
Nel complesso, Boyden conclude: In molti disturbi neurali o psichiatrici, una frazione molto piccola di cellule cerebrali ha alterazioni molto grandi: il Parkinson è la morte di forse qualche migliaio di cellule. Se con l'optogenetica puoi correggere quei bersagli a valle senza alterare tutti i 'neuroni normali' -tra virgolette - potresti risolvere il nostro problema attuale, che è che ogni farmaco per il trattamento dei disturbi cerebrali ha effetti collaterali molto gravi e gli impianti neurali sono strumenti estremamente contundenti . Quindi questa è la speranza.