Dispositivo neurale wireless per studiare circuiti cerebrali usando lo smartphone

dispositivo neurale wireless

Un team di scienziati della Corea e degli Stati Uniti ha inventato un dispositivo neurale wireless  in grado di controllare i circuiti neurali utilizzando un piccolo impianto cerebrale controllato da uno smartphone.

I ricercatori, che hanno pubblicato in Nature Biomedical Engineering i loro risultati, ritengono che il dispositivo possa accelerare gli sforzi per scoprire malattie cerebrali come il Parkinson, l’Alzheimer, la dipendenza, la depressione e il dolore.

Il dispositivo, utilizzando cartucce di farmaci sostituibili simili a Lego e potenti bluetooth a bassa energia, può colpire specifici neuroni di interesse usando farmaci e luce per periodi prolungati.

“Il dispositivo neurale wireless consente la neuromodulazione chimica e ottica che non è mai stata raggiunta prima“, ha dichiarato l’autore principale Raza Qazi, ricercatore del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) e dell’Università del Colorado Boulder.

Qazi ha affermato che questa tecnologia oscura in modo significativo i metodi convenzionali utilizzati dai neuroscienziati, che di solito coinvolgono tubi metallici rigidi e fibre ottiche per fornire farmaci e luce. Oltre a limitare il movimento del soggetto a causa delle connessioni fisiche con attrezzature ingombranti, queste strutture relativamente rigide provocano lesioni nel tempo nel tessuto cerebrale molle e per questo motivo non sono adatte all’impianto a lungo termine. Sebbene siano stati fatti alcuni sforzi per mitigare in parte la risposta avversa dei tessuti alle sonde morbide e piattaforme wireless, le soluzioni precedenti erano limitate dalla loro incapacità di fornire farmaci per lunghi periodi di tempo, nonché dalle loro configurazioni di controllo ingombranti e complesse.

Per raggiungere la consegna senza fili di farmaci, gli scienziati hanno dovuto risolvere la sfida critica dell’esaurimento e dell’evaporazione dei farmaci. I ricercatori del Korea Advanced Institute of Science and Technology e dell’Università di Washington a Seattle hanno collaborato per inventare un dispositivo neurale con una cartuccia di farmaco sostituibile che potrebbe consentire ai neuroscienziati di studiare gli stessi circuiti cerebrali per diversi mesi senza preoccuparsi di rimanere senza farmaci.

Queste cartucce di farmaci “plug-n-play” sono state assemblate in un impianto cerebrale per topi con una sonda morbida e ultrasottile (spessore di un capello umano), che consisteva in canali microfluidici e piccoli LED (più piccoli di un granello di sale), per dosi la consegna illimitata di farmaci.

Controllati con un’interfaccia elegante e semplice su uno smartphone, i neuroscienziati possono facilmente innescare qualsiasi combinazione specifica o sequenziamento preciso di consegne di luce e farmaci in qualsiasi animale bersaglio impiantato, senza la necessità di essere fisicamente all’interno del laboratorio. Usando questi dispositivi neurali wireless, i ricercatori potrebbero anche impostare facilmente studi sugli animali completamente automatizzati in cui il comportamento di un animale potrebbe influenzare positivamente o negativamente il comportamento in altri animali, innescando la luce e / o il rilascio di farmaci .

“Questo dispositivo rivoluzionario è il frutto del design elettronico avanzato e della potente ingegneria su micro e nanoscala”, ha dichiarato Jae-Woong Jeong, Professore di ingegneria elettrica presso KAIST. “Siamo interessati a sviluppare ulteriormente questa tecnologia per realizzare un impianto cerebrale per applicazioni cliniche”.

Michael Bruchas, Professore di anestesia e medicina del dolore e farmacologia presso la School of Medicine dell’Università di Washington, ha affermato che questa tecnologia aiuterà i ricercatori in molti modi.

“Questo dispositivo ci consente di sezionare meglio le basi del comportamento del circuito neurale e capire come i neuromodulatori specifici nel cervello sintonizzano il comportamento in vari modi”, ha detto il ricercatore. “Siamo anche desiderosi di utilizzare il dispositivo per complessi studi farmacologici, che potrebbero aiutarci a sviluppare nuove terapie per il dolore, la dipendenza e i disturbi emotivi”.

I ricercatori del gruppo Jeong di KAIST sviluppano elettronica soft per dispositivi indossabili e impiantabili e i neuroscienziati del laboratorio Bruchas dell’Università di Washington studiano circuiti cerebrali che controllano lo stress, la depressione, la dipendenza, il dolore e altri disturbi neuropsichiatrici. Questo sforzo di collaborazione globale tra ingegneri e neuroscienziati per un periodo di tre anni consecutivi e decine di iterazioni progettuali ha portato alla validazione di successo di questo potente impianto cerebrale in topi in movimento libero, che i ricercatori ritengono che possa davvero accelerare la scoperta del cervello e delle sue malattie.