I ricercatori hanno sviluppato sensori su nanoscala che potrebbero essere iniettati nel corpo per monitorare in modo non invasivo l'attività cerebrale utilizzando la luce. L'approccio potrebbe un giorno offrire un nuovo modo per studiare il cervello o valutare il funzionamento del cervello dei pazienti senza la necessità di interventi chirurgici o dispositivi impiantati.

A. Ali Yanik dell'Università della California, Santa Cruz, riferirà sulla tecnologia, chiamato NeuroSWARM ³ , al congresso virtuale OSA Imaging and Applied Optics tenutosi dal 19 al 23 luglio. La presentazione di Yanik è prevista per martedì.

"NeuroSWARM ³ può convertire i segnali che accompagnano i pensieri in segnali misurabili a distanza per l'interfacciamento cervello-macchina ad alta precisione, " ha affermato Yanik. "Consentirà alle persone che soffrono di disabilità fisiche di interagire efficacemente con il mondo esterno e di controllare la tecnologia degli esoscheletri indossabili per superare i limiti del corpo. Potrebbe anche raccogliere le prime firme di malattie neurali".

L'approccio offre un nuovo modo per monitorare l'attività elettrica nel cervello utilizzando una sonda di sistema su nanoparticelle di dimensioni paragonabili a una particella virale. I neuroni usano segnali elettrici per trasmettere informazioni l'uno all'altro, rendendo questi segnali cruciali per il pensiero, memoria e movimento. Sebbene ci siano molti metodi consolidati per tracciare l'attività elettrica del cervello, la maggior parte richiede un intervento chirurgico o dispositivi impiantati per penetrare nel cranio e interfacciarsi direttamente con i neuroni.

I ricercatori hanno chiamato la loro nuova tecnologia Reporter di attività wireless dispersibile in soluzione neurofotonica per misurazioni multiplexate in modo massiccio, o NeuroSWARM ³ .

L'approccio prevede l'introduzione di nanoparticelle elettroplasmoniche ingegnerizzate nel cervello che convertono i segnali elettrici in segnali ottici, consentendo di monitorare l'attività cerebrale con un rilevatore ottico dall'esterno del corpo.

Le nanoparticelle sono costituite da un nucleo di ossido di silicio che misura 63 nanometri di diametro con un sottile strato di poli (3, 4-etilendiossitiofene) e un rivestimento in oro di 5 nanometri di spessore. Poiché il loro rivestimento consente loro di attraversare la barriera ematoencefalica, potrebbero essere iniettati nel flusso sanguigno o direttamente nel liquido cerebrospinale.

Una volta nel cervello, i nanosensori sono altamente sensibili alle variazioni locali del campo elettrico. Nei test di laboratorio, prototipi in vitro del NeuroSWARM ³ sono stati in grado di generare un rapporto segnale-rumore di oltre 1, 000, un livello di sensibilità adatto a rilevare il segnale elettrico generato quando un singolo neurone si attiva.

"Siamo stati pionieri nell'uso di polimeri elettrocromici (ad es. PEDOTTO:PSS), per il rilevamento ottico (wireless) di segnali elettrofisiologici, " Ha aggiunto Yanik. "I materiali elettrocromici con proprietà ottiche che possono essere modulate in modo reversibile da un campo esterno sono convenzionalmente utilizzati per applicazioni di vetro/specchi intelligenti".

NeuroSWARM ³ può essere pensata come un'antenna plasmonica caricata elettrocromicamente su nanoscala operata al contrario:invece di applicare una tensione nota, le sue proprietà ottiche sono modulate dalle cellule elettrogeniche che si trovano nelle sue vicinanze. Quindi, NeuroSWARM ³ fornisce una capacità di rilevamento del segnale bioelettrico a campo lontano in un singolo dispositivo a nanoparticelle che racchiude l'alimentazione wireless, capacità di rilevamento del segnale elettrofisiologico e trasmissione di dati in dimensioni nanometriche.

I segnali ottici generati da NeuroSWARM ³ le particelle possono essere rilevate dall'esterno del cervello utilizzando la luce nel vicino infrarosso con lunghezze d'onda comprese tra 1, 000-1, 700nm. Le nanoparticelle possono funzionare indefinitamente senza richiedere una fonte di alimentazione o cavi.

Altri ricercatori hanno esplorato un approccio simile utilizzando punti quantici progettati per rispondere ai campi elettrici. Confrontando le due tecnologie, i ricercatori hanno scoperto NeuroSWARM ³ genera un segnale ottico più grande di quattro ordini di grandezza. I punti quantici richiedevano un'intensità luminosa dieci volte superiore e cento volte più sonde per generare un segnale comparabile.

"Siamo solo alle fasi iniziali di questa nuova tecnologia, ma penso che abbiamo una buona base su cui costruire, " ha detto Yanik. "Il nostro prossimo obiettivo è iniziare esperimenti sugli animali."

Oltre a Yanik, i coautori di questo studio includono studenti laureati UCSC Neil Hardy, Ahsan Habib, e la ricercatrice universitaria Tanya Ivanov.