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Un modo migliore per sondare il cervello
Polina Anikeeva, PhD '09, sta sviluppando materiali che offrono connessioni a basso impatto o addirittura wireless al sistema nervoso, consentendo ai ricercatori di stimolare e raccogliere dati dalle singole cellule cerebrali. 21 aprile 2015
Il cervello è spesso descritto come la struttura più complessa conosciuta: una moltitudine di cellule, unite in reti e in fermento con attività elettrica e chimica. Come scienziata dei materiali, Polina Anikeeva, PhD '09, sa anche che il cervello è molto più morbido e flessibile dei dispositivi che usiamo per studiarlo. In realtà ha le proprietà elastiche del budino al cioccolato, afferma Anikeeva, assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria al MIT. Puoi cucchiaio se vuoi.
Tuttavia, quando gli scienziati cercano di esplorare il cervello, in genere fanno affidamento su materiali rigidi e taglienti, come sonde al silicio ed elettrodi di acciaio. Ha tanto senso, dice, quanto tagliare un budino con un coltello.
Con gli impianti neurali per l'uomo, come i dispositivi per la stimolazione cerebrale profonda, la mancata corrispondenza può avere gravi conseguenze. Gli elettrodi rigidi possono tagliare i tessuti se il cervello trema. Le cellule del sistema immunitario e dei tessuti vicini sciamano, circondando qualsiasi impianto con tessuto cicatriziale. Problemi simili si applicano alle interfacce neurali per il midollo spinale.
Anikeeva, che guida il laboratorio di bioelettronica del MIT, sta sviluppando modi migliori per interagire con il cervello e il midollo spinale. Sebbene il suo laboratorio abbia meno di quattro anni, importanti riviste hanno pubblicato una serie di articoli del suo gruppo che dimostrano nuove tecnologie, comprese sonde in fibra polimerica sottili e flessibili per stimolare e registrare l'attività dei neuroni, nonché nanoparticelle magnetiche che potrebbero essere utilizzate per stimolarli senza fili. L'obiettivo è sondare il cervello con un tocco più morbido e farlo con precisione, integrando diverse funzioni in un unico dispositivo.
Il lavoro di Anikeeva sta già consentendo ad altri scienziati di eseguire nuovi tipi di studi sul cervello e sul midollo spinale. In definitiva, i materiali che crea potrebbero offrire un modo meno invasivo per collegare dispositivi al corpo umano al fine di curare malattie neurologiche o ripristinare il movimento.
Nerd della scienza
Ero essenzialmente un secchione della scienza fin dai primi giorni, dice Anikeeva. È cresciuta a San Pietroburgo, in Russia, figlia di genitori che si sono formati entrambi come ingegneri meccanici. (Sua madre ha aiutato a progettare sottomarini nucleari prima del crollo dell'Unione Sovietica.) A 12 anni è stata ammessa alla prestigiosa Scuola Superiore Fisico-Tecnico, che è affiliata all'Istituto Fisico-Tecnico Ioffe dell'Accademia Russa delle Scienze. La scuola ha appena 180 studenti e tiene lezioni sei giorni alla settimana; il suo scopo è quello di preparare futuri ricercatori. È più difficile entrare che entrare nel MIT, dice.
Anikeeva ha studiato biofisica all'Università Politecnica Statale di San Pietroburgo; durante un programma di scambio presso il Politecnico federale di Zurigo, ha imparato ad analizzare la struttura delle proteine utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare. Dopo la laurea, ha completato uno stage di un anno presso il Los Alamos National Laboratory nel New Mexico, progettando celle solari da nanocristalli semiconduttori noti come punti quantici.
Quando ha visitato le scuole di specializzazione, il MIT si è distinto per i suoi studenti tanto quanto per i suoi docenti. Sentivo che al MIT sarei stata circondata da persone veramente talentuose che sono fanatiche del loro lavoro, dice. Ha iniziato la sua ricerca di dottorato nel 2004 nel laboratorio di Vladimir Bulović, allora professore associato di ingegneria elettrica e informatica, che stava sviluppando nuovi dispositivi elettronici e ottici utilizzando la nanotecnologia. Lì ha aperto la strada a una tecnica per creare LED utilizzando punti quantici per generare luce di diversi colori.
Ad Anikeeva piaceva lavorare con i nanomateriali, ma aveva anche una passione per la biologia. Abbiamo tecnologie così sofisticate nei nostri telefoni cellulari: abbiamo questi splendidi display, moduli informatici all'avanguardia, transistor, circuiti e così via, dice. Voleva sfruttare alcuni di questi progressi per migliorare la tecnologia per il corpo. Ma prima che andassi con arroganza a cercare di risolvere problemi che non sapevo esistessero, dice, ho deciso che dovevo davvero trascorrere del tempo in un ambiente biologico.
Anikeeva esamina un lotto di fibre, ciascuna contenente un singolo elettrodo. Saranno disposti attorno a tubi cavi e allungati per formare sonde neurali larghe 100 micrometri in grado di fornire farmaci e registrare informazioni.
Quella decisione l'ha portata al laboratorio di neuroscienze di Karl Deisseroth presso la Stanford University. Il suo gruppo era nel bel mezzo di un lavoro rivoluzionario sull'optogenetica, che usa la luce per stimolare le cellule nel cervello degli animali che sono state progettate per includere proteine attivate dalla luce. Quando ho visto che stavano sviluppando metodi per controllare otticamente il cervello, sono rimasta davvero sbalordita, dice. Ha anche suggerito un nuovo modo di applicare le sue abilità. Il cervello significa potenziali d'azione e tensioni: ho pensato che come una persona di optoelettronica, posso stare dietro la tensione, dice. È qualcosa che ho qualche possibilità di capire.
Il gruppo di Deisseroth aveva bisogno di hardware per inviare luce in aree specifiche del cervello dei topi e allo stesso tempo acquisire registrazioni elettriche dalle cellule illuminate. Durante un post-dottorato di due anni iniziato nel 2009, Anikeeva ha sviluppato una sonda più sofisticata di quella che stavano usando; la sua versione includeva più elettrodi lungo la fibra ottica. Questo è stato un passaggio fondamentale per ottenere letture complete dall'interfaccia in fibra ottica, afferma Deisseroth.
L'esperienza ha insegnato ad Anikeeva come fare esperimenti e lavorare con gli animali e le ha dato problemi da risolvere. Dopo aver ricevuto questa formazione neurobiologica più elementare, mi ha fatto pensare agli strumenti che stavamo usando, dice. Queste tecnologie sono davvero piuttosto primitive. Erano troppo grandi e troppo ingombranti e non avevano abbastanza capacità. I biologi con cui ha lavorato Anikeeva stavano manipolando singoli fili al microscopio, ben lontano dalle sofisticate tecniche di fabbricazione utilizzate nell'industria elettronica.
Sentivo che avremmo dovuto essere in grado di fare di meglio, dice. E quando le è stato offerto un posto di facoltà al MIT, quella premessa è diventata la base del suo laboratorio. Nel suo attuale lavoro, Anikeeva sta portando la sua esperienza nella scienza dei materiali per la neuroscienza. Ha un talento incredibile, qualunque cosa metta le mani, dice Bulović, ora professore di tecnologia emergente, preside associato per l'innovazione della School of Engineering e co-direttore della MIT Innovation Initiative. Ha preso tutte queste esperienze che ha acquisito... e ha riconosciuto che poteva metterle insieme in un insieme coerente.
Un martello migliore
In un laboratorio sotterraneo del MIT, Andres Canales, SM '13, uno studente di dottorato nel gruppo di Anikeeva, sta osservando una trasformazione fisica in atto: un cilindro di polimeri e metallo viene lentamente fuso e tirato in un lungo filo simile a vermicelli da un'alta torre in un angolo della stanza. Uno dei motivi per cui Anikeeva desiderava tornare al MIT era lavorare con Yoel Fink, il direttore del Laboratorio di ricerca dell'elettronica e uno dei principali innovatori in questa tecnica di trafilatura delle fibre, in cui i materiali vengono assemblati insieme, riscaldati e tirati come caramelle in un formato ultrasottile fibre che preservano la struttura e la funzionalità originarie. Fink ha condiviso con il suo laboratorio sia la sua esperienza che la torre di filatura delle fibre, che offre un controllo preciso e la capacità di ridurre le caratteristiche a un livello microscopico (vedi Demo).
Grazie a questa collaborazione, il suo team ha incorporato guide d'onda ottiche, elettrodi e canali di somministrazione di farmaci in un'unica fibra che può essere sottile come un capello umano e abbastanza flessibile da avvolgersi attorno a un dito. E soprattutto, questi dispositivi non vengono rifiutati dal corpo.
Questo tipo di capacità potrebbe aiutare i neuroscienziati a cercare di districare le complesse funzioni cerebrali nei topi. Guoping Feng, professore di scienze cerebrali e cognitive al McGovern Institute del MIT, sta usando le sonde di Anikeeva per studiare malattie psichiatriche come l'autismo e il disturbo ossessivo-compulsivo. Il suo lavoro consiste nell'esaminare la comunicazione tra i neuroni nel cervello e la relazione tra geni, circuiti cerebrali e comportamento. Per osservare questi processi negli animali viventi, i ricercatori devono essere in grado di manipolare circuiti specifici con precisione e registrare l'attività delle cellule manipolate. Con un dispositivo sottile e multifunzionale, dice, puoi avere tutte le capacità con perturbazioni o danni minimi ai tessuti cerebrali.
I dispositivi possono essere utilizzati anche nel midollo spinale, che è di difficile accesso e richiede un dispositivo flessibile perché spesso si muove e si allunga. Sebbene la stimolazione elettrica del midollo spinale possa evocare il movimento negli animali paralizzati e sia stata utilizzata clinicamente nell'uomo con risultati modesti, Chet Moritz, professore di medicina riabilitativa all'Università di Washington a Seattle, afferma che la stimolazione ottica potrebbe consentire un controllo più preciso della cellule specifiche. La stimolazione elettrica è un martello abbastanza grande, dice. Con l'optogenetica, puoi avere una sicurezza abbastanza alta che stai attivando un circuito specifico.
Moritz lavora sulla stimolazione del midollo spinale superiore, in definitiva per ripristinare movimenti come raggiungere e afferrare, che richiedono più finezza rispetto al camminare. Per farlo, ha bisogno di colpire direttamente neuroni specifici. Lavorando con Anikeeva, sta testando la fattibilità dell'uso della luce per stimolare il midollo spinale dei ratti con un occhio alla rianimazione degli arti paralizzati.
Stimolazione cerebrale senza fili
Nel frattempo, Anikeeva sta perseguendo tecnologie in grado di stimolare aree specifiche del cervello senza fili. In un recente articolo in , il suo gruppo ha dimostrato una tecnica che utilizza campi magnetici e nanoparticelle iniettate per attivare le cellule nel profondo del cervello dei topi.
In questo processo, le nanoparticelle magnetiche vengono riscaldate con l'aiuto di campi magnetici alternati, che passano facilmente attraverso il tessuto cerebrale senza intaccarlo. Per decenni, i ricercatori hanno lavorato su tecniche per iniettare nanoparticelle magnetiche nei tumori e riscaldarle con magneti per uccidere le cellule cancerose. Ma invece di distruggere le cellule, Anikeeva voleva creare una rapida esplosione di calore che accendesse i neuroni.
Altri scienziati hanno utilizzato un approccio simile per stimolare le cellule progettate per esprimere la proteina TRPV1 sensibile al calore. Ma Anikeeva dice che le cellule in questi studi hanno risposto troppo lentamente per il tipo di stimolazione immediata che vuole ottenere.
Il suo team, guidato dagli studenti laureati Ritchie Chen, SM '13 e Michael Christiansen, ha iniziato a modellare il modo in cui le nanoparticelle magnetiche dissipano il calore. Le particelle si allineano a un campo magnetico e si riallineano quando la sua direzione cambia, rilasciando calore nel processo. I modelli hanno mostrato che questo effetto era più potente se le dimensioni e la forma delle particelle corrispondevano alle proprietà del campo magnetico. Adattando il design sia delle bobine magnetiche che delle nanoparticelle, i ricercatori sono stati in grado di produrre più calore più velocemente.
Le particelle sono costituite da ossido di ferro (comunemente usato come agente di contrasto nelle risonanza magnetica) e ricoperte di polimeri per impedire al sistema immunitario del corpo di scacciarle. Il team di Anikeeva ha utilizzato un virus per fornire il gene per TRPV1 nelle cellule in una parte specifica del cervello dei topi. Quindi hanno iniettato nella stessa regione le nanoparticelle. Sotto il campo magnetico, le particelle si sono riscaldate, provocando l'attivazione dei neuroni modificati.
Anikeeva sta ora studiando se la variazione dei campi magnetici e la composizione delle particelle possa consentire di colpire più tipi di cellule o circuiti cerebrali. E mentre questo studio ha utilizzato l'ingegneria genetica per ottenere una proteina sensibile al calore nelle cellule del topo, afferma che il TRPV1 è prevalente nel cervello umano, quindi tale armeggiare potrebbe non essere necessario per utilizzare la tecnica negli esseri umani.
Questa dimostrazione, per quanto preliminare, punta verso un modo molto meno invasivo di stimolare le cellule nel profondo del cervello. Attualmente, i pazienti che ricevono una stimolazione cerebrale profonda per condizioni come il morbo di Parkinson necessitano di un intervento chirurgico per impiantare elettrodi collegati a una batteria esterna. Questi topi hanno avuto una semplice iniezione e le nanoparticelle magnetiche sono rimaste attive un mese dopo. Un giorno, immagina, i pazienti potrebbero ricevere un farmaco magnetico e trascorrere un periodo di tempo prescritto ogni giorno vicino a un dispositivo magnetico.
Il gruppo di Anikeeva sta perfezionando queste tecnologie e sta cercando collaboratori che le mettano alla prova. Immagina l'utilizzo di sonde polimeriche morbide per mappare con precisione il cervello o per fornire un farmaco o una stimolazione ottica e quindi monitorarne l'effetto sull'attività cellulare.
È anche fortemente interessata all'utilizzo delle tecnologie come interfacce neurali per il trattamento di lesioni paralizzanti. Quando un'amica ha subito una grave lesione al midollo spinale durante l'arrampicata su roccia, Anikeeva è rimasta colpita dallo stato primitivo della tecnologia per la riabilitazione e il ripristino del movimento. Ha influenzato il mio programma di ricerca in modi molto profondi, dice.
Un'entusiasta arrampicatrice e fondista lei stessa, Anikeeva è particolarmente interessata al movimento perché lo trova essenziale per il proprio modo di pensare. L'arrampicata è una parte importante e determinante della mia vita, dice, e spesso risolve i problemi correndo per due o tre ore alla volta. Non mi alleno mai con la musica, dice. Essenzialmente sono io contro il mio cervello.