Dispositivo wireless che utilizza la luce per inviare informazioni direttamente al cervello, bypassando i percorsi sensoriali naturali del corpo.
Un nuovo dispositivo wireless a micro‑LED promette di rivoluzionare la neurotecnologia: per la prima volta, impulsi luminosi inviati direttamente al cervello permettono di trasmettere informazioni senza passare dai sensi, aprendo la strada a protesi più intelligenti, terapie innovative e interfacce cervello‑macchina non invasive
Un chip luminoso insegna al cervello a leggere nuovi segnali.
In un nuovo balzo avanti per la neurobiologia e la bioelettronica, gli scienziati della Northwestern University hanno sviluppato un dispositivo wireless che utilizza la luce per inviare informazioni direttamente al cervello - bypassando le naturali vie sensoriali del corpo, come descritto in un nuovo studio pubblicato su Nature Neuroscience (1).
Il dispositivo, morbido e flessibile, si trova sotto il cuoio capelluto ma sopra il cranio, dove trasmette schemi precisi di luce attraverso l’osso per attivare i neuroni in tutto il cervello.
Negli esperimenti, gli scienziati hanno utilizzato i minuscoli impulsi luminosi del dispositivo, organizzati in schemi, per attivare specifiche popolazioni di neuroni in profondità nel cervello di modelli murini. (Questi neuroni sono geneticamente modificati per rispondere alla luce.) I topi hanno rapidamente imparato a interpretare questi schemi come segnali significativi, che erano in grado di riconoscere e utilizzare. Anche senza coinvolgere tatto, vista o udito, gli animali ricevevano informazioni per prendere decisioni e completavano con successo compiti comportamentali.
La tecnologia ha un immenso potenziale per varie applicazioni terapeutiche, tra cui fornire feedback sensoriale per arti protesici, offrire stimoli artificiali per future protesi visive o uditive, modulare la percezione del dolore senza oppioidi o farmaci sistemici, migliorare la riabilitazione dopo ictus o lesioni, controllare arti robotici con il cervello e altro ancora.
«I nostri cervelli trasformano costantemente l’attività elettrica in esperienze, e questa tecnologia ci offre un modo per attingere direttamente a quel processo», ha detto la dottoressa Yevgenia Kozorovitskiy, PhD (2), neurobiologa della Northwestern che ha guidato il lavoro sperimentale. «Questa piattaforma ci permette di creare segnali completamente nuovi e vedere come il cervello impara a usarli. Ci avvicina un po’ di più a ripristinare sensi perduti dopo lesioni o malattie, offrendo al contempo una finestra sui principi fondamentali che ci permettono di percepire il mondo».
«Sviluppare questo dispositivo ha richiesto di ripensare il modo di fornire stimolazioni con schemi specifici al cervello in un formato che fosse allo stesso tempo minimamente invasivo e completamente impiantabile», ha dichiarato il dottor John A. Rogers, PhD (3), pioniere della bioelettronica della Northwestern, il dottor Louis Simpson e il dottor Kimberly Querrey, professore di scienza e ingegneria dei materiali, ingegneria biomedica e chirurgia neurologica, che ha guidato lo sviluppo della tecnologia. «Integrando una matrice morbida e conformabile di micro‑LED - ciascuno piccolo quanto un singolo capello umano - con un modulo di controllo alimentato in modalità wireless, abbiamo creato un sistema programmabile in tempo reale che rimane completamente sotto la pelle, senza alcun effetto misurabile sui comportamenti naturali degli animali. Rappresenta un passo avanti significativo nella costruzione di dispositivi in grado di interfacciarsi con il cervello senza la necessità di fili ingombranti o hardware esterno voluminoso. È prezioso sia nell’immediato per la ricerca neuroscientifica di base, sia nel lungo termine per affrontare sfide sanitarie negli esseri umani».
La dottoressa Yevgenia Kozorovitskiy e il dottor Irving M. Klotz, professore di neurobiologia, presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. È anche membro del Chemistry of Life Processes Institute. Rogers è inoltre direttore del Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Il dottor Mingzheng Wu, ricercatore post‑dottorato nei laboratori di Rogers e Kozorovitskiy, è il primo autore dello studio.
Replicare i pattern naturali dell’attività cerebrale
Il nuovo studio si basa su lavori precedenti (4), nei quali Kozorovitskiy e Rogers hanno introdotto il primo dispositivo completamente impiantabile, programmabile, wireless e senza batteria, capace di controllare i neuroni tramite la luce. Pubblicato su Nature Neuroscience (5) nel 2021, lo studio precedente utilizzava una singola sonda con micro‑LED per influenzare il comportamento sociale nei topi. Mentre le ricerche precedenti in optogenetica (un metodo per controllare i neuroni con la luce) richiedevano fibre ottiche che limitavano i movimenti dei topi, la versione wireless permetteva agli animali di muoversi e comportarsi normalmente in contesti sociali.
La nuova iterazione porta questa ricerca un passo oltre, consentendo una comunicazione più ricca e flessibile con il cervello. Andando oltre la semplice capacità di attivare e disattivare una singola regione di neuroni, il nuovo dispositivo presenta una matrice programmabile fino a 64 micro‑LED. Con un controllo in tempo reale su ciascun LED, gli scienziati possono inviare al cervello sequenze complesse che possono somigliare all’attività distribuita che si verifica durante le sensazioni naturali. Poiché le esperienze sensoriali reali attivano reti corticali distribuite - non piccoli gruppi localizzati di neuroni - il design multi‑regione imita pattern più naturali dell’attività cerebrale.
«Nel primo articolo abbiamo usato un singolo micro‑LED», ha detto Wu. «Ora stiamo usando una matrice di 64 micro‑LED per controllare il pattern dell’attività corticale. Il numero di pattern che possiamo generare con varie combinazioni di LED - frequenza, intensità e sequenza temporale - è praticamente infinito».
All’incirca delle dimensioni di un francobollo e più sottile di una carta di credito, il nuovo dispositivo è anche meno invasivo. Invece di estendersi nel cervello attraverso un piccolo difetto cranico, il nuovo dispositivo morbido e flessibile si adatta alla superficie del cranio e proietta luce attraverso l’osso.
«La luce rossa penetra molto bene nei tessuti», ha detto Kozorovitskiy. «Raggiunge una profondità sufficiente per attivare i neuroni attraverso il cranio».
Stimolazione riuscita
Per testare il sistema, il team ha utilizzato topi ingegnerizzati per avere neuroni corticali sensibili alla luce. Poi hanno addestrato i topi ad associare un particolare pattern di stimolazione cerebrale a una ricompensa. In genere, questo compito prevedeva che visitassero una specifica postazione all’interno di una camera.
In una serie di prove, l’impianto ha fornito un pattern specifico attraverso quattro regioni corticali - come se si battesse un codice direttamente sui circuiti neurali. I topi hanno rapidamente imparato a riconoscere questo pattern bersaglio tra dozzine di alternative. Utilizzando segnali artificiali trasmessi dal pattern bersaglio, hanno scelto la postazione corretta per ricevere una ricompensa.
«Selezionando costantemente la postazione corretta, l’animale ha mostrato di aver ricevuto il messaggio», ha detto il dottor Mingzheng Wu. «Non possono usare il linguaggio per dirci ciò che percepiscono, quindi comunicano attraverso il loro comportamento».
Ora che il team ha dimostrato che il cervello può interpretare la stimolazione con pattern come segnali significativi, prevede di testare pattern più complessi ed esplorare quanti pattern distinti il cervello possa apprendere. Le future iterazioni potrebbero includere un numero maggiore di LED, una spaziatura più ridotta tra i LED, matrici più ampie che coprano una porzione maggiore della corteccia e lunghezze d’onda della luce in grado di penetrare più profondamente nel cervello.
Lo studio è stato sostenuto dal Querrey Simpson Institute of Bioelectronics, dal NINDS/BRAIN Initiative, dal National Institute of Mental Health, dall’One Mind Nick LeDeit Rising Star Research Award, dal Kavli Exploration Award, dallo Shaw Family Pioneer Award, dalla Simons Foundation, dalla Alfred P. Sloan Foundation e dalla Christina Enroth‑Cugell and David Cugell Fellowship.
Riferimenti:
(1) Patterned wireless transcranial optogenetics generates artificial perception
(3) John A. Rogers
(4) Implanted wireless device triggers mice to form instant bond
(5) Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors
Descrizione foto: Gli scienziati della Northwestern hanno sviluppato un dispositivo wireless che utilizza la luce per inviare informazioni direttamente al cervello, bypassando i percorsi sensoriali naturali del corpo. - Credit: Mingzheng Wu/Rogers Research Group.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Wireless Device ‘Speaks’ to the Brain With Light