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Neuroscienze Sistemi Protesici

Neural Matrix: la nuova interfaccia neurale per lunghe registrazioni ad alta definizione

Se anche Elon Musk, una delle figure più geniali dei nostri tempi, sta investendo tempo e denaro sugli impianti neurali, questi dispositivi non possono che avere un enorme potenziale!

Lo sanno bene i ricercatori appartenenti a diverse università americane e sudcoreane, guidati dal professor Jonathan Viventi: il team ha lavorato a Neural Matrix, un’interfaccia neurale ad alta definizione che può sopravvivere per più di sei anni nel cervello.

Gli impianti neurali sono dispositivi tecnologici collegati al cervello di un soggetto biologico per stimolarne parti o registrare l’attività elettrica delle cellule nervose, attraverso un’interfaccia neurale che costituisce il canale di comunicazione bidirezionale dispositivo-cervello.

L’invenzione di Neural Matrix, descritta nel giornale Science Translational Medicine, rappresenta un passo importantissimo verso l’obiettivo di impianti capaci di permanere all’interno del corpo umano per una vita intera.

In media, infatti, la durata delle interfacce neurali è limitata dalla loro interazione con l’ambiente circostante: un ambiente salato, acquoso e corrosivo, che reagisce all’introduzione del dispositivo con una risposta immunitaria a volte non trascurabile.

Riuscire a far lavorare questi sensori nel cervello è come gettare uno smartphone – ultra-sottile e pieghevole – nell’oceano e sperare che funzioni per anni

Professor Viventi, dipartimento di Ingegneria Biomedica della Duke University

Effettivamente, come nell’elettronica di ultima generazione, l’impianto neurale deve avere:

  • un buon grado di flessibilità, per seguire la curvatura naturale della corteccia cerebrale su cui si poggia;
  • spessore ridotto (<30 µm), dato che ridotto è lo spazio disponibile tra la corteccia e lo scalpo.

La registrazione che ne deriva si chiama micro-elettrocorticografia (µECoG) di superficie. Si tratta di una sorta di elettroencefalografia (EEG) invasiva con elevato rapporto segnale-rumore e una migliore risoluzione spaziale e temporale rispetto all’EEG e alla ECoG tradizionale.
Le applicazioni di questo device vanno da semplici studi di fisiologia del cervello e fisiopatologia delle malattie cerebrali animali a neuroprotesi e interfacce uomo-macchina.

La matrice neurale

Il dispositivo (Fig. 1) consta di ben 1008 elettrodi e consente lo studio di aree del cervello più vaste rispetto allo stato dell’arte, che fa ricorso a soli 100 sensori e può analizzare un volume limitato di neuroni.

Figura 1. A sinistra: grafico comparativo tra Neural Matrix e precedenti sistemi di micro-elettrocorticografia. A destra: fotografia della matrice di 1008 elettrodi e dettaglio che mostra che ogni elettrodo è connesso ad una cella unitaria che consiste di due transistori flessibili in silicio.

Un’altra sfida tecnica che l’interfaccia progettata supera è quella riguardante il cablaggio.

Per avere un campionamento efficace, ci sarebbe bisogno di aumentare il numero di sensori nella matrice, ma ogni sensore richiede il suo filo e questo costituisce un grande problema tecnico, considerato lo spazio estremamente limitato.

Il team del Professor Viventi è riuscito ad integrare la parte elettronica sui sensori stessi e ad ottenere un dispositivo che raccoglie informazioni da più di mille canali con meno di 100 fili all’esterno.

Figura 2. Sulla sinistra: diagramma rappresentativo del circuito di una cella singola con due transistori per l’amplificazione locale del segnale ed il multiplexing, con circuito di shielding attivo sulla DAQ (Data Acquisition Unit). A destra: sezione del transistore con input capacitivo dal tessuto adiacente attraverso lo strato di silice (SiO₂).

La strategia di incapsulamento

Come accennato in precedenza, il corpo umano tende a rigettare polimeri e metalli e, alla lunga, danneggia il dispositivo.

Per ovviare a questo problema, Neural Matrix è rivestita con una membrana protettiva di diossidio di silicio cresciuto termicamente (t-SiO₂) spessa meno di 1 µm. Il diossido di silicio (o silice) è una forma di vetro biocompatibile, che nel dissolversi non provoca problemi nel corpo e presenta un buon grado di flessibilità.

Il t-SiO₂ è usato non soltanto come barriera contro i fluidi biologici ma anche come mezzo dielettrico per l’accoppiamento capacitivo tra la materia grigia e l’elettrodo.

Figura 3. Esploso che mette in risalto i singoli strati del sistema neurale, incluso il layer ultra-sottile di diossido di silicio cresciuto termicamente, come metodo di incapsulamento a lungo termine.

Questo rivestimento ed il sensing capacitivo hanno aumentato la longevità del dispositivo e quindi ridotto l’eventuale numero di operazioni a cui sottoporsi nell’arco della vita per sostituire l’impianto.

I test sugli animali

Neural Matrix è stata testata su due specie animali: roditori e primati non umani (NHP).

Nei primi si è testata la longevità del dispositivo una volta impiantato, come funzione della velocità di ingresso dei fluidi biologici misurata attraverso la misura delle correnti di dispersione. In questi primi esperimenti in vivo si è preferito usare una matrice di soli 8 x 8 elettrodi.

Nel corso di un anno, il sistema di acquisizione dati (DAQ) ha registrato con successo segnali neurali, ma non ha registrato correnti di dispersione che superino la soglia di 1 µA in 4 su 5 animali.

A fine esperimento, misurazioni dello spessore dello strato che costituisce l’incapsulamento hanno portato a definire una velocità di dissoluzione in vivo dello strato di SiO₂ pari a circa 0.46 nm/giorno, che quindi fa pensare ad una longevità in vivo di quasi 6 anni.

Per verificare la scalabilità del design di Neural Matrix, la matrice di 1008 elettrodi è stata fabbricata ed impiantata nella corteccia sensomotoria di quattro scimmie (NHP) successivamente sottoposte a stimoli visivi e motori. Gli stimoli sono stati fondamentali per registrare la risposta dei primati come potenziali evocati.

Numerose iterazioni di progettazione e packaging del dispositivo, durante questo esperimento hanno consentito di ottenere ottimi risultati.

Prospettive future

Neural Matrix è per molti versi un dispositivo superiore rispetto allo stato dell’arte, che apre le porte ad impianti neurali di gran lunga migliori, grazie alle sue caratteristiche dimensionali, di flessibilità, di resistenza all’ambiente e di scalabilità.

I successivi passi da compiere includono:

  • aumentare il numero di elettrodi da 1008 a 65000;
  • migliorare ulteriormente l’incapsulamento e la longevità del dispositivo, aggiungendo uno strato di 100 nm di biossido di afnio (HfO₂) o usando una struttura a tre strati con 50 nm di Parylene C;
  • fabbricare il dispositivo in fonderie commerciali, con capacità superiori rispetto ad una camera bianca universitaria, per affinare la risoluzione del sensore ed abbassarne il costo di produzione.

Tuttavia, alcune preoccupazioni dovute a questa nuova tecnologia restano. Ad esempio, a causa dell’impianto, a lungo andare potrebbe formarsi del tessuto cicatriziale. Nonostante uno studio preliminare effettuato dallo stesso gruppo di ricerca non abbia mostrato risultati scoraggianti in questo senso, questo aspetto richiederà un’analisi più approfondita.


Fonti e approfondimenti
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Informazioni autore

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Maria Teresa Sposato

Mi piace lavorare con gli altri e per gli altri.
Dopo la laurea al Politecnico di Torino, ho conseguito un MBA ed oggi mi occupo di innovazione in un'azienda farmaceutica. I miei interessi rientrano in tutti i campi dell'ingegneria biomedica, scienza e business.

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