I ricercatori della Stanford University hanno sviluppato un nuovo dispositivo per connettere il cervello direttamente alle tecnologie basate sul silicio. Mentre i dispositivi di interfaccia cervello-macchina esistono già e vengono utilizzati per le protesi, trattamento delle malattie e ricerca sul cervello:questo ultimo dispositivo può registrare più dati pur essendo meno invadente rispetto alle opzioni esistenti.

"Nessuno ha mai preso questi componenti elettronici in silicio 2-D e li ha abbinati all'architettura tridimensionale del cervello prima, " disse Abdulmalik Obaid, uno studente laureato in scienza e ingegneria dei materiali a Stanford. "Abbiamo dovuto eliminare ciò che già sapevamo sulla fabbricazione di chip convenzionali e progettare nuovi processi per portare l'elettronica al silicio nella terza dimensione. E dovevamo farlo in un modo che potesse scalare facilmente".

Il dispositivo, oggetto di un articolo pubblicato il 20 marzo in Progressi scientifici , contiene un fascio di microfili, con ogni filo meno della metà della larghezza dei capelli umani più sottili. Questi fili sottili possono essere inseriti delicatamente nel cervello e collegati all'esterno direttamente a un chip di silicio che registra i segnali elettrici del cervello che passano da ciascun filo, come se si realizzasse un film dell'attività elettrica neurale. Le versioni attuali del dispositivo includono centinaia di microfili, ma le versioni future potrebbero contenerne migliaia.

"L'attività elettrica è uno dei modi più risolutivi di osservare l'attività cerebrale, " ha detto Nick Melosh, professore di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford e co-autore senior del documento. "Con questo array di microfili, possiamo vedere cosa sta succedendo a livello di singolo neurone".

I ricercatori hanno testato la loro interfaccia cervello-macchina su cellule retiniche isolate di ratti e nel cervello di topi viventi. In entrambi i casi, hanno ottenuto con successo segnali significativi attraverso le centinaia di canali dell'array. La ricerca in corso determinerà ulteriormente per quanto tempo il dispositivo può rimanere nel cervello e cosa possono rivelare questi segnali. Il team è particolarmente interessato a ciò che i segnali possono dire loro sull'apprendimento. I ricercatori stanno anche lavorando su applicazioni in protesi, in particolare l'assistenza vocale.

Vale la pena aspettare

I ricercatori sapevano che, per raggiungere i propri obiettivi, dovevano creare un'interfaccia cervello-macchina che non fosse solo di lunga durata, ma anche in grado di stabilire una stretta connessione con il cervello causando danni minimi. Si sono concentrati sulla connessione a dispositivi basati su silicio per sfruttare i progressi di tali tecnologie.

"I chip di silicio sono così potenti e hanno un'incredibile capacità di scalare, " ha detto Melosh. "Il nostro array si accoppia con quella tecnologia in modo molto semplice. In realtà puoi semplicemente prendere il chip, premerlo sull'estremità esposta del fascio e ottenere i segnali."

Una delle principali sfide affrontate dai ricercatori è stata capire come strutturare l'array. Doveva essere forte e durevole, anche se i suoi componenti principali sono centinaia di fili minuscoli. La soluzione era avvolgere ogni filo in un polimero biologicamente sicuro e poi legarli insieme all'interno di un collare di metallo. Ciò garantisce che i fili siano distanziati e orientati correttamente. Sotto il colletto, il polimero viene rimosso in modo che i fili possano essere diretti individualmente nel cervello.

I dispositivi di interfaccia cervello-macchina esistenti sono limitati a circa 100 fili che offrono 100 canali di segnale, e ciascuno deve essere accuratamente inserito nella matrice a mano. I ricercatori hanno trascorso anni a perfezionare le loro tecniche di progettazione e fabbricazione per consentire la creazione di un array con migliaia di canali:i loro sforzi sono stati supportati, in parte, da una borsa di studio Big Ideas del Wu Tsai Neurosciences Institute.

"Il design di questo dispositivo è completamente diverso da qualsiasi dispositivo di registrazione ad alta densità esistente, e la forma, la dimensione e la densità dell'array possono essere semplicemente variate durante la fabbricazione. Ciò significa che possiamo registrare simultaneamente diverse regioni del cervello a diverse profondità con praticamente qualsiasi disposizione 3D, " ha detto Jun Ding, assistente professore di neurochirurgia e neurologia, e coautore del paper. "Se applicato ampiamente, questa tecnologia supererà notevolmente la nostra comprensione della funzione cerebrale negli stati di salute e di malattia".

Dopo aver passato anni a perseguire questa idea ambiziosa ma elegante, non è stato fino alla fine del processo che hanno avuto un dispositivo che può essere testato su tessuti viventi.

"Abbiamo dovuto prendere chilometri di microcavi e produrre array su larga scala, quindi collegarli direttamente ai chip di silicio, " disse Obaid, chi è l'autore principale dell'articolo. "Dopo anni di lavoro su quel progetto, l'abbiamo testato sulla retina per la prima volta e ha funzionato subito. È stato estremamente rassicurante».

Dopo i primi test sulla retina e sui topi, i ricercatori stanno ora conducendo studi sugli animali a lungo termine per verificare la durata dell'array e le prestazioni delle versioni su larga scala. Stanno anche esplorando il tipo di dati che il loro dispositivo può riportare. I risultati finora indicano che potrebbero essere in grado di osservare l'apprendimento e il fallimento mentre si verificano nel cervello. I ricercatori sono ottimisti sulla possibilità di utilizzare un giorno la matrice per migliorare le tecnologie mediche per gli esseri umani, come protesi meccaniche e dispositivi che aiutano a ripristinare la parola e la vista.