I ricercatori hanno sviluppato un dispositivo impiantabile che può registrare una collezione di neuroni individuali per mesi.

26 gennaio 2024

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di Leah Burrows, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Registrare l'attività di ampie popolazioni di singoli neuroni nel cervello nel corso di lunghi periodi di tempo è fondamentale per approfondire la nostra comprensione dei circuiti neurali, per consentire nuove terapie basate su dispositivi medici e, in futuro, per le interfacce cervello-computer che richiedono informazioni elettrofisiologiche ad alta risoluzione.

Tuttavia, oggi c'è un compromesso tra quanta informazione ad alta risoluzione un dispositivo impiantabile può misurare e quanto tempo può mantenere prestazioni di registrazione o stimolazione. Gli impianti rigidi in silicio con molti sensori possono raccogliere molte informazioni ma non possono rimanere nel corpo per molto tempo. I dispositivi flessibili più piccoli sono meno invasivi e possono durare più a lungo nel cervello, ma forniscono solo una frazione delle informazioni neurali disponibili.

Recentemente, un team interdisciplinare di ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), in collaborazione con l'Università del Texas ad Austin, il MIT e Axoft, Inc., ha sviluppato un dispositivo impiantabile morbido con decine di sensori che possono registrare l'attività di singoli neuroni nel cervello in modo stabile per mesi.

La ricerca è stata pubblicata su Nature Nanotechnology.

"Abbiamo sviluppato interfacce cerebro-elettroniche con risoluzione a livello di singola cellula che sono più conformi dal punto di vista biologico rispetto ai materiali tradizionali", ha detto Paul Le Floch, primo autore dell'articolo e ex dottorando nel laboratorio di Jia Liu, professore associato di bioingegneria presso la SEAS. "Questo lavoro ha il potenziale per rivoluzionare il design dei bioelettronici per la registrazione e la stimolazione neurali e per le interfacce cervello-computer".

Le Floch è attualmente il CEO di Axoft, Inc., un'azienda fondata nel 2021 da Le Floch, Liu e Tianyang Ye, ex dottorando e borsista postdottorato nel Gruppo Park di Harvard. L'Ufficio di Sviluppo della Tecnologia di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale associata a questa ricerca e ha concesso in licenza la tecnologia ad Axoft per ulteriori sviluppi.

Per superare il compromesso tra velocità di trasmissione dati ad alta risoluzione e longevità, i ricercatori si sono rivolti a un gruppo di materiali noti come elastomeri fluorurati. I materiali fluorurati, come il teflon, sono elastici, stabili nei fluidi biologici, hanno un'eccellente prestazione dielettrica a lungo termine e sono compatibili con le tecniche standard di microfabbricazione.

I ricercatori hanno integrato questi elastomeri dielettrici fluorurati con stack di microelettrodi morbidi - in totale 64 sensori - per sviluppare una sonda a lunga durata che è 10.000 volte più morbida delle sonde flessibili convenzionali realizzate con materiali come il polimide o il parylene C.

Il team ha dimostrato il dispositivo in vivo, registrando informazioni neurali dal cervello e dal midollo spinale di topi nel corso di diversi mesi.

"La nostra ricerca evidenzia che, mediante l'ingegneria accurata di vari fattori, è possibile progettare nuovi elastomeri per interfacce neurali a lungo termine stabili", ha detto Liu, corrispondente autore dell'articolo. "Questo studio potrebbe ampliare la gamma di possibilità di progettazione per interfacce neurali".

Il team di ricerca interdisciplinare includeva anche i professori della SEAS Katia Bertoldi, Boris Kozinsky e Zhigang Suo.

"Progettare nuove sonde e interfacce neurali è un problema molto interdisciplinare che richiede competenze in biologia, ingegneria elettrica, scienza dei materiali, ingegneria meccanica e chimica", ha detto Le Floch.

La ricerca è stata co-autorizzata da Siyuan Zhao, Ren Liu, Nicola Molinari, Eder Medina, Hao Shen, Zheliang Wang, Junsoo Kim, Hao Sheng, Sebastian Partarrieu, Wenbo Wang, Chanan Sessler, Guogao Zhang, Hyunsu Park, Xian Gong, Andrew Spencer, Jongha Lee, Tianyang Ye, Xin Tang, Xiao Wang e Nanshu Lu.

Informazioni sulla rivista: Nature Nanotechnology

Fornito da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences