Un impianto cerebrale ultrasottile monitora le convulsioni

Un nuovo impianto ultrasottile e ultraflessibile caricato con sensori può registrare la tempesta elettrica che scoppia nel cervello durante un attacco con una risoluzione quasi 50 volte maggiore di quanto fosse possibile in precedenza. Il livello di dettaglio potrebbe rivoluzionare il trattamento dell'epilessia consentendo procedure meno invasive per rilevare e trattare le crisi. Potrebbe anche portare a una comprensione più profonda della funzione cerebrale e portare a interfacce cervello-computer con capacità senza precedenti.

Mappa del cervello: Una serie ultrasottile di elettrodi, mostrata in alto inserita nel cervello di un gatto, consente un'acquisizione dei dati molto più ampia che mai. Nella parte inferiore, l'array di elettrodi è così flessibile che può piegarsi attorno anche agli oggetti più sottili, consentendo un facile inserimento e una buona copertura di superfici irregolari.

Per i pazienti con epilessia che non rispondono ai farmaci, i neurologi cercheranno spesso di mappare dove nel cervello ha avuto origine la crisi in modo che quella regione possa essere rimossa chirurgicamente. Il medico rimuove una sezione del cranio e posiziona un ingombrante array di sensori sulla superficie della corteccia frontale del paziente.

Questi dispositivi clinici non sono cambiati molto dagli anni '50 o '60, afferma Brian Litta , specialista in epilessia e bioingegnere presso l'Università della Pennsylvania e uno degli scienziati che hanno guidato la nuova ricerca. Poiché il dispositivo deve ospitare fili per ciascun elettrodo, ha spazio solo per meno di 100 elettrodi e fornisce un'immagine a scarsa risoluzione dell'attività elettrica. È come cercare di capire cosa sta succedendo in mezzo alla folla a Manhattan con un singolo microfono sospeso da un elicottero, dice Litt.

La tecnologia attuale si è bloccata con un array di sensori con circa otto sensori per centimetro quadrato; il nuovo array—costruito in collaborazione con John Rogers , professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign, può ospitare 360 ​​sensori nella stessa quantità di spazio. Per creare un piccolo dispositivo così densamente popolato di sensori, Rogers ha integrato componenti elettronici e transistor al silicio nell'array stesso, riducendo drasticamente la quantità di cablaggio.

È più simile a una serie di microfoni a 360 gradi, abbassati più vicino alla superficie e registrati da regioni molto più piccole: un paio di persone all'angolo della strada, un paio vicino alla cassetta della posta, dice Litt. Questa nuova tecnica potrebbe essere la chiave per comprendere le reti funzionali nel cervello e potrebbe anche essere la chiave per trattare e potenzialmente curare alcune malattie.

Nel loro primo test del dispositivo, su un gatto con epilessia, Litt, Rogers e uno studente laureato Jonathan Viventi (ora assistente professore che studia neuroingegneria traslazionale alla New York University), ha visto qualcosa di sorprendente: una tempesta di attività che sembrava un'onda a spirale auto-propagante. Lo schema, evidente solo con registrazioni ad altissima risoluzione, è notevolmente simile a quello osservato nel muscolo cardiaco durante una condizione pericolosa per la vita chiamata fibrillazione ventricolare.

Piuttosto che grandi sezioni del cervello responsabili delle convulsioni, qualcosa che secondo Litt è stato tradizionalmente pensato che si verificasse, sembra invece derivare da più gruppi di aree molto piccole, o microdomini, nella corteccia. La ricerca è stata pubblicata online la scorsa settimana in Neuroscienze della natura .

Fuori controllo: Un attacco epilettico in un gatto, misurato dal nuovo impianto denso di elettrodi, mostra un'onda a spirale di attività elettrica mai vista prima.

Questo è assolutamente fantastico. Sono rimasto sbalordito dalla realizzazione tecnica e dai risultati molto forti e importanti, afferma Gerwin Schalk , un ricercatore di interfacce cervello-computer presso il Wadsworth Center di Albany, New York. Schalk non è stato coinvolto nella ricerca. Sarà di enorme valore per le neuroscienze di base e per la ricerca traslazionale. Schalk osserva che se la tecnologia si dimostra efficace negli esseri umani, potrebbe aprire opportunità sostanziali per tutto, dalla diagnostica ai dispositivi di interfaccia cervello-computer.

Il dispositivo potrebbe anche consentire test e trattamenti meno invasivi. Piuttosto che aprire un'ampia sezione del cranio per posizionare un dispositivo di monitoraggio, afferma Litt, il nuovo impianto potrebbe consentire ai chirurghi di praticare solo un piccolo foro attraverso il quale far scivolare il sottile array di sensori arrotolato e dispiegarlo sulla superficie del cervello una volta dentro. E invece di rimuovere aree del cervello delle dimensioni di una pallina da golf, potrebbe essere possibile rimuovere solo i microdomini e lasciare intatto il resto della corteccia.

La versione attuale del dispositivo è di un centimetro quadrato; per uso umano, i ricercatori devono espanderlo a circa otto centimetri quadrati. Una startup chiamata MC10 lavorerà per renderlo più grande e pronto per la produzione.

Litt e Rogers stanno ora lavorando per creare un impianto con stimolatori incorporati accanto ai sensori. Se riescono a costruire un dispositivo che non solo rileva l'inizio di un attacco, ma può fornire altrettanto rapidamente una stimolazione elettrica per annullarlo, la ricerca potrebbe avere un grande impatto clinico. Questo non è solo uno strumento di ricerca. Ha una modalità di utilizzo chiaramente definita in ambito clinico, afferma Rogers. Questo è un pezzo di elettronica biointegrata che non ha eguali nella sua funzionalità, e la prova è nel budino.

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