Attraverso il campo emergente dell'optogenetica, una tecnologia che consente di controllare con precisione i neuroni geneticamente modificati nel tessuto vivente per mezzo della luce, gli scienziati stanno cercando di comprendere meglio come funziona il cervello nella speranza di scoprire cure per i disturbi neurali debilitanti come il disturbo da stress post-traumatico (PTSD) e il morbo di Alzheimer.

Un ingegnere del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), insieme ai ricercatori dell'Università del Michigan e della New York University (NYU), hanno compiuto un importante passo avanti nel consentire il controllo optogenetico "multicolore" di diversi tipi di neuroni. Il gruppo, tra cui Komal Kampasi di LLNL, ha sviluppato un nuovo impianto neurale a base di silicio in grado di controllare l'attività elettrica delle cellule cerebrali proiettando una luce multicolore nel cervello dei topi svegli. I risultati sono stati pubblicati in Microsistemi naturali e nanoingegneria ed è apparso sulla copertina di giugno del giornale.

L'autore principale del documento, Kampasi ha svolto il suo lavoro come dottoranda dell'Università del Michigan. Ha detto che la tecnologia apre nuove strade per l'interrogatorio dei circuiti neurali, che aiuterà gli scienziati a comprendere meglio l'organizzazione e la funzione di circuiti neurali complessi.

"Mentre la maggior parte della ricerca nel campo dell'optogenetica si è concentrata sulla manipolazione di un tipo di neurone alla volta fornendo luce monocolore, la nostra tecnologia offre un multicolor, soluzione senza fibre per il controllo di due o più popolazioni neuronali spazialmente mescolate, " ha spiegato Kampasi. "Questo è un importante passo avanti nell'optogenetica perché i neuroscienziati possono ora manipolare diversi tipi di neuroni a livello di circuito locale mentre contemporaneamente registrano in alta qualità, dati elettrici a basso rumore da quelle celle."

Kampasi, che ha definito il dispositivo una "pietra miliare dell'ingegneria, " ha aggiunto che il design delle sue squadre elimina l'uso di ingombranti, fibre ottiche invasive integrando micro laser e guide d'onda a bordo per fornire luce multicolore, rendendo la piattaforma molto più compatta, scalabile e meno invasivo pur mantenendo l'ottica, caratteristiche del dispositivo termico ed elettrico necessarie per un impianto neurale.

Il National Institutes of Health (NIH) ha finanziato lo studio triennale come parte dell'iniziativa BRAIN della Casa Bianca, uno sforzo collaborativo pubblico-privato per rivoluzionare la comprensione del cervello umano. Si è concentrato sullo sviluppo di neurotecnologie avanzate per studiare regioni cerebrali più dense e profonde come l'ippocampo, la parte del cervello responsabile della creazione e della conservazione dei ricordi. La squadra di Kampasi, guidato dal professore dell'Università del Michigan Euisik Yoon, sviluppato l'optoelettrodo neurale multicolore, che è stato impiantato nel cervello dei topi dal team di neuroscienziati di Gyorgy Buzsaki alla New York University. Il team di Buzsaki voleva capire come si formano e si cancellano i ricordi studiando l'interazione tra i diversi tipi di cellule nell'ippocampo.

"Volevamo sapere se potevamo controllare con precisione l'attività di picco dei tipi di neuroni densamente mescolati nell'ippocampo dei topi; eravamo estasiati nel vedere che possiamo, " ha detto Kampasi. "Tale capacità di manipolare più tipi di cellule, contemporaneamente e indipendentemente, in una posizione specifica del circuito è fondamentale per comprendere l'interazione tra diversi tipi di neuroni e costituisce una strada importante nel futuro della ricerca neuroscientifica".

Uno degli obiettivi attuali di Kampasi è applicare la tecnologia all'esclusivo sistema flessibile, sonde neurali a film sottile. Gli array di elettrodi di LLNL sono stati utilizzati di recente in diversi studi per registrare e stimolare l'attività cerebrale e hanno dimostrato una vita di lunga durata. L'integrazione dell'ottica flessibile di bordo sui dispositivi LLNL migliorerà in modo significativo le capacità degli array di sonde neurali esistenti e consentirà nuovi studi precedentemente non possibili, ricercatori hanno detto.

"Unindo questa capacità di stimolazione ottica all'avanguardia con la tecnologia della sonda neurale flessibile di Livermore, che sta mostrando stabilità e durata eccezionali, stiamo lavorando per sviluppare una prima nel suo genere, array di optoelettrodi flessibili a base di polimeri, " disse Shankar Sundaram, direttore del Centro di Bioingegneria del LLNL. "Questo, di concerto con le registrazioni elettrofisiologiche ad alta densità, promette di gettare nuova luce sul funzionamento del cervello".