Una delle maggiori sfide nelle neuroscienze cognitive o riabilitative è la capacità di progettare un sistema ibrido funzionale in grado di connettere e scambiare informazioni tra sistemi biologici, come i neuroni nel cervello, e dispositivi elettronici creati dall'uomo. Un grande sforzo multidisciplinare di ricercatori in Italia ha riunito fisici, chimici, biochimici, ingegneri, biologi molecolari e fisiologi per analizzare la biocompatibilità del substrato utilizzato per collegare questi componenti biologici e artificiali, e indagare la funzionalità delle cellule aderenti, creando un sistema bioibrido vivente.

In un articolo apparso questa settimana in I progressi dell'AIP , il team di ricerca ha utilizzato l'interazione tra luce e materia per studiare le proprietà del materiale a livello molecolare utilizzando la spettroscopia Raman, una tecnica che, fino ad ora, è stata applicata principalmente alla scienza dei materiali. Grazie all'accoppiamento dello spettrometro Raman con un microscopio, la spettroscopia diventa uno strumento utile per indagare micro-oggetti come cellule e tessuti. La spettroscopia Raman presenta chiari vantaggi per questo tipo di indagine:la composizione molecolare e la modifica dei compartimenti subcellulari possono essere ottenute in condizioni label-free con metodi non invasivi e in condizioni fisiologiche, consentendo lo studio di una grande varietà di processi biologici sia in vitro che in vivo.

Una volta analizzata la biocompatibilità del substrato e indagata la funzionalità delle cellule aderenti, la parte successiva di questo puzzle è il collegamento con il componente elettronico. In questo caso è stato utilizzato un memristore.

"Il suo nome ne rivela la particolarità (MEMory ResISTOR), ha una sorta di "memoria":a seconda della quantità di tensione che gli è stata applicata in passato, è in grado di variare la sua resistenza, a causa di un cambiamento delle sue proprietà fisiche microscopiche, " ha detto Silvia Caponi, fisico presso il Consiglio Nazionale delle Ricerche a Roma. Combinando i memristori, è possibile creare percorsi all'interno dei circuiti elettrici che funzionano in modo simile alle sinapsi naturali, che sviluppano peso variabile nelle loro connessioni per riprodurre il meccanismo di adattamento/apprendimento. Strati di polimeri organici, come la polianilina (PANI) un polimero semiconduttore, hanno anche proprietà memristive, consentendo loro di lavorare direttamente con materiali biologici in un sistema bioelettronico ibrido.

"Abbiamo applicato l'analisi su un dispositivo ibrido bio-ispirato ma in una prospettiva prospettica, questo lavoro fornisce la prova del concetto di uno studio integrato in grado di analizzare lo stato delle cellule viventi in una grande varietà di applicazioni che fonde nanoscienze, neuroscienze e bioelettronica, " ha detto Caponi. Un obiettivo naturale a lungo termine di questo lavoro sarebbe interfacciare macchine e sistemi nervosi il più possibile senza soluzione di continuità.

Il team multidisciplinare è pronto a costruire su questa prova di principio per realizzare il potenziale delle reti di memristor.

"Una volta assicurata la biocompatibilità dei materiali su cui crescono i neuroni, " disse Caponi, "vogliamo definire i materiali e le loro procedure di funzionalizzazione per trovare la migliore configurazione per l'interfaccia neurone-memristore per fornire un sistema bio-memristivo ibrido completamente funzionante".