Nuova interfaccia cervello macchina per vedere i neuroni in tempo reale

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Immagine 1 – Primo piano della matrice di microcavi. Attraverso un chip di silicio attaccato alla parte superiore e i microcavi presenti nella parte inferiore che vengono inseriti delicatamente nel cervello, questo dispositivo può aiutare i ricercatori a registrare l’attività neurale in tempo reale. (Credit: Andrew Brodhead/Stanford).

– Connettere il cervello a dispositivi elettronici basati sul silicio direttamente

Una nuova interfaccia cervello-macchina è in grado di connettere il cervello direttamente ad altri dispositivi elettronici basati sul silicio. Le interfacce cervello macchina non sono certo una novità e vengono utilizzate per: trattamenti di riabilitazione, stabilire una connessione tra le protesi e il cervello, effettuare ricerca di base sul cervello. Il nuovo dispositivo, rispetto ai dispositivi attualmente in uso, è in grado di registrare una quantità di dati decisamente maggiore e ha una minore intrusività.

«Nessuno prima d’ora era mai riuscito a connettere i dispositivi elettronici in 2D (bidimensionale) basati sul silicio con il cervello umano che possiede una struttura in 3D (tridimensionale)» scrive il dott. Abdulmalik Obaid del dipartimento di ingegneria e scienza dei materiali dell’Università di Stanford.

– Progettare nuovi processi per portare l’elettronica basata sul silicio in 3d
«Abbiamo dovuto gettare via ciò che sapevamo sulla fabbricazione dei chip convenzionali e progettare nuovi processi per portare l’elettronica basata sul silicio in 3D. E abbiamo dovuto farlo in un modo che potesse essere incrementato facilmente».

– Microcavi talmente sottili da misurare meno della metà del più piccolo capello umano
Il dispositivo contiene un fascio di microcavi, ogni microcavo ha un diametro pari a meno della metà del più sottile capello umano. Questi cavi così sottili possono essere inseriti delicatamente nel cervello e venir collegati all’esterno direttamente a un chip di silicio in grado di registrare i segnali elettrici del cervello che passano attraverso ogni cavo, in buona sostanza è come registrare un video dell’attività elettrica neuronale. Le attuali versioni del dispositivo includono centinaia di microcavi, ma le future versioni potrebbero contenerne migliaia. «L’attività elettrica è uno dei modi ad alta risoluzione per monitorare l’attività cerebrale» scrive Nick Melosh, uno degli autori dello studio nonché professore di ingegneria e scienza dei materiali presso l’università di Stanford. «Attraverso questa matrice di microcavi siamo in grado di monitorare cosa accade nel cervello a livello di un singolo neurone» prosegue il ricercatore.

– Il dispositivo, testato sui topi, ha dato risultati significativi
I ricercatori hanno provato sperimentalmente la loro interfaccia cervello-macchina su cellule retiniche isolate dei topi e nei cervelli dei topi vivi. In entrambi i casi i ricercatori sono riusciti ad ottenere segnali significativi attraverso le centinaia di canali della matrice. Lo studio in corso determinerà ulteriormente per quanto tempo il dispositivo potrà rimanere nel cervello e che cosa riesce a rivelare tale dispositivo attraverso l’acquisizione dei segnali elettrici. Il team di scienziati è particolarmente interessato a ciò che i segnali potranno fornire sull’apprendimento umano. I ricercatori stanno anche lavorando su applicazioni nell’ambito delle protesi, in particolare stanno approfondendo le applicazioni nel campo dell’assistenza vocale.

– Un nuovo tipo di interfaccia cervello-macchina
I ricercatori sapevano già che, per raggiungere i loro obiettivi, avrebbero dovuto creare un’interfaccia cervello-macchina non solo durevole nel tempo ma anche in grado di stabilire una stretta connessione con il cervello causando danni minimi. Per poter sfruttare al meglio i progressi della tecnologia nel campo delle interfacce cervello-macchina gli scienziati si sono concentrati sulla realizzazione di un collegamento tra il cervello e i dispositivi a base di silicio.

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Immagine 2 – Abdulmalik Obaid (a sinistra) e Nick Melosh mostrano la matrice di microcavi. Il fascio di microcavi può rendere possibile il monitoraggio dell’attività di centinaia di neuroni nel cervello in tempo reale. (Credits immagine: Andrew Brodhead).
«I chip di silicio sono così potenti e le loro prestazioni possono essere incredibilmente aumentate» scrive Melosh. «La nostra matrice si abbina molto semplicemente con questa tecnologia. Si può semplicemente prendere il chip, attaccarlo sull’estremità esposta del fascio di microcavi e ottenere subito i segnali dell’attività elettrica neuronale».

– La sfida principale per i ricercatori: capire in che modo strutturare la matrice
Una delle principali sfide che hanno dovuto affrontare i ricercatori è stata capire come strutturare la matrice. La matrice doveva essere resistente e durevole nel tempo nonostante i componenti principali del dispositivo sono centinaia di minuscoli cavi. La soluzione è stata quella di avvolgere ogni cavo con un polimero biologicamente sicuro e poi impacchettare tutti i microcavi all’interno di un anello metallico. Questo garantisce che i cavi siano distanziati e orientati correttamente. Sotto all’anello, il polimero viene rimosso in modo che i cavi possano essere diretti individualmente nel cervello. Le interfacce cervello-macchina esistenti sono limitate a circa 100 cavi che offrono 100 canali di segnale e ciascun microcavo deve essere accuratamente inserito manualmente nella matrice. I ricercatori hanno impiegato anni nel perfezionare le loro tecniche di progettazione e fabbricazione così da consentire la creazione di una matrice con migliaia di canali.

«La progettazione di questo dispositivo è completamente diversa da quella di qualsiasi altro dispositivo di registrazione ad alta densità esistente e la forma, le dimensioni e la densità della matrice possono essere semplicemente variate durante la fabbricazione. Ciò significa che possiamo registrare simultaneamente diverse regioni del cervello a diverse profondità con praticamente qualsiasi disposizione 3D» scrive jun Ding, professore di neurochirurgia e neurologia nonché coautore dello studio. «La nostra comprensione delle funzioni cerebrali aumenterà in maniera considerevole se questa tecnologia verrà ampiamente adottata».

– Anni di lavoro per realizzare la matrice
Dopo aver trascorso anni nel’inseguire questa idea ambiziosa ed elegante, i ricercatori sono finalmente giunti alla fine del processo con un dispositivo che potrà molto probabilmente essere testato su del tessuto vivente. «Abbiamo dovuto utilizzare chilometri di microcavi, produrre matrici su larga scala e collegare i microcavi direttamente ai chip di silicio» scrive Obaid. «Dopo anni di lavoro su questo progetto l’abbiamo testato per la prima volta sulla retina dei topi e ha funzionato subito. È stato estremamente rassicurante».

Dopo i test iniziali del dispositivo prima sulla retina dei topi e poi direttamente sui topi vivi, i ricercatori stanno ora conducendo studi a lungo termine sugli animali per verificare la durata della matrice e le prestazioni delle versioni su larga scala. Gli scienziati stanno anche esplorando il tipo di dati che il dispositivo è in grado di raccogliere.

L’articolo “Massively parallel microwire arrays integrated with CMOS chips for neural recording” è stato pubblicato sulla rivista Science Advances

lswn.it

Immagine d’anteprima: Foto di Seanbatty da Pixabay