Il professore di ingegneria biomedica dell'Università dell'Arizona Philipp Gutruf è il primo autore del documento Completamente impiantabile, sistemi optoelettronici per batterie senza batteria, operazione multimodale nella ricerca neuroscientifica, pubblicato in Elettronica della natura .

L'optogenetica è una tecnica biologica che utilizza la luce per attivare o disattivare specifici gruppi di neuroni nel cervello. Per esempio, i ricercatori potrebbero utilizzare la stimolazione optogenetica per ripristinare il movimento in caso di paralisi o, nel futuro, spegnere le aree del cervello o della colonna vertebrale che causano dolore, eliminando la necessità e la crescente dipendenza da oppiacei e altri antidolorifici.

"Stiamo realizzando questi strumenti per capire come funzionano le diverse parti del cervello, " Ha detto Gutruf. "Il vantaggio con l'optogenetica è che hai una specificità cellulare:puoi indirizzare gruppi specifici di neuroni e indagare sulla loro funzione e relazione nel contesto dell'intero cervello".

In optogenetica, i ricercatori caricano neuroni specifici con proteine ​​chiamate opsine, che convertono la luce in potenziali elettrici che costituiscono la funzione di un neurone. Quando un ricercatore illumina un'area del cervello, attiva solo i neuroni carichi di opsina.

Le prime iterazioni dell'optogenetica riguardavano l'invio di luce al cervello attraverso fibre ottiche, il che significava che i soggetti del test erano fisicamente legati a una stazione di controllo. I ricercatori hanno continuato a sviluppare una tecnica senza batterie utilizzando l'elettronica wireless, il che significava che i soggetti potevano muoversi liberamente.

Ma questi dispositivi avevano ancora i loro limiti:erano ingombranti e spesso attaccati visibilmente all'esterno del cranio, non consentivano un controllo preciso della frequenza o dell'intensità della luce, e potevano stimolare solo un'area del cervello alla volta.

Più controllo e meno spazio

"Con questa ricerca, siamo andati avanti di due o tre passi, " ha detto Gutruf. "Siamo stati in grado di implementare il controllo digitale sull'intensità e la frequenza della luce emessa, e i dispositivi sono molto miniaturizzati, in modo che possano essere impiantati sotto il cuoio capelluto. Possiamo anche stimolare indipendentemente più punti del cervello dello stesso soggetto, cosa che prima non era possibile".

La capacità di controllare l'intensità della luce è fondamentale perché consente ai ricercatori di controllare esattamente quanta parte del cervello sta influenzando la luce:più luminosa è la luce, più lontano arriverà. Inoltre, controllare l'intensità della luce significa controllare il calore generato dalle sorgenti luminose, ed evitando l'attivazione accidentale di neuroni che vengono attivati ​​dal calore.

Il senza fili, gli impianti senza batteria sono alimentati da campi magnetici oscillanti esterni, e, nonostante le loro capacità avanzate, non sono significativamente più grandi o più pesanti delle versioni precedenti. Inoltre, un nuovo design dell'antenna ha eliminato un problema affrontato dalle versioni precedenti dei dispositivi optogenetici, in cui la forza del segnale trasmesso al dispositivo variava a seconda dell'angolazione del cervello:un soggetto girava la testa e il segnale si indeboliva.

"Questo sistema ha due antenne in una custodia, quale commutiamo il segnale avanti e indietro molto rapidamente in modo da poter alimentare l'impianto con qualsiasi orientamento, " disse Gutruf. "In futuro, questa tecnica potrebbe fornire impianti senza batteria che forniscono una stimolazione ininterrotta senza la necessità di rimuovere o sostituire il dispositivo, con conseguente procedure meno invasive rispetto agli attuali pacemaker o tecniche di stimolazione".

I dispositivi vengono impiantati con una semplice procedura chirurgica simile agli interventi chirurgici in cui gli esseri umani sono dotati di neurostimolatori, o "pacemaker cerebrali". Non provocano effetti negativi sui soggetti, e la loro funzionalità non si degrada nel corpo nel tempo. Ciò potrebbe avere implicazioni per dispositivi medici come pacemaker, che attualmente devono essere sostituiti ogni 5-15 anni.

Il documento ha anche dimostrato che gli animali impiantati con questi dispositivi possono essere ripresi in sicurezza con la tomografia computerizzata, o TC, e risonanza magnetica, o risonanza magnetica, che consentono approfondimenti avanzati su parametri clinicamente rilevanti come lo stato di ossa e tessuti e il posizionamento del dispositivo.