Le fibre di nanotubi di carbonio inventate alla Rice University possono fornire il modo migliore per comunicare direttamente con il cervello.

Le fibre si sono dimostrate superiori agli elettrodi metallici per la stimolazione cerebrale profonda e per leggere i segnali da una rete neuronale. Poiché forniscono una connessione bidirezionale, mostrano risultati promettenti per il trattamento di pazienti con disturbi neurologici monitorando la risposta in tempo reale dei circuiti neurali nelle aree che controllano il movimento, umore e funzioni corporee.

Nuovi esperimenti alla Rice hanno dimostrato che le fibre biocompatibili sono candidate ideali per piccoli, elettrodi sicuri che interagiscono con il sistema neuronale del cervello, secondo i ricercatori. Potrebbero sostituire elettrodi molto più grandi attualmente utilizzati nei dispositivi per le terapie di stimolazione cerebrale profonda nei pazienti con malattia di Parkinson.

Possono anche far progredire le tecnologie per ripristinare le funzioni sensoriali o motorie e le interfacce cervello-macchina, nonché le terapie di stimolazione cerebrale profonda per altri disturbi neurologici, tra cui distonia e depressione, hanno scritto i ricercatori.

Il documento è apparso online questa settimana sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .

Le fibre create dal laboratorio Rice del chimico e ingegnere chimico Matteo Pasquali sono costituite da fasci di lunghi nanotubi originariamente destinati ad applicazioni aerospaziali dove forza, peso e conducibilità sono fondamentali.

I singoli nanotubi misurano solo pochi nanometri di diametro, ma quando milioni vengono raggruppati in un processo chiamato filatura a umido, diventano fibre filiformi circa un quarto della larghezza di un capello umano.

"Abbiamo sviluppato queste fibre come ad alta resistenza, materiali ad alta conduttività, » disse Pasquali. «Eppure, una volta che li abbiamo avuti in mano, ci siamo resi conto che avevano una proprietà inaspettata:sono davvero morbidi, molto simile a un filo di seta. La loro combinazione unica di forza, conducibilità e morbidezza li rendono ideali per interfacciarsi con la funzione elettrica del corpo umano."

Il contemporaneo arrivo nel 2012 di Caleb Kemere, un assistente professore di Rice che ha portato esperienza in modelli animali del morbo di Parkinson, e l'autrice principale Flavia Vitale, un ricercatore nel laboratorio di Pasquali con lauree in ingegneria chimica e biomedica, ha spinto l'indagine.

"Il cervello è fondamentalmente la consistenza del budino e non interagisce bene con elettrodi metallici rigidi, " disse Kemere. "Il sogno è avere elettrodi con la stessa consistenza, ed è per questo che siamo davvero entusiasti di queste fibre flessibili di nanotubi di carbonio e della loro biocompatibilità a lungo termine".

Test di settimane su cellule e poi su ratti con sintomi di Parkinson hanno dimostrato che le fibre sono stabili ed efficienti quanto gli elettrodi di platino commerciali a solo una frazione delle dimensioni. Le fibre morbide hanno causato poca infiammazione, che ha contribuito a mantenere forti connessioni elettriche con i neuroni impedendo alle difese del corpo di cicatrizzare e incapsulare il sito della lesione.

Le fibre di nanotubi di carbonio altamente conduttive mostrano anche un'impedenza molto più favorevole - la qualità della connessione elettrica - rispetto agli elettrodi metallici all'avanguardia, rendendo per un migliore contatto a tensioni più basse per lunghi periodi, ha detto Kemer.

L'estremità di lavoro della fibra è la punta esposta, che è circa la larghezza di un neurone. Il resto è rivestito da uno strato di tre micron di materiale flessibile, polimero biocompatibile con ottime proprietà isolanti.

La sfida sta nel mettere le punte. "È solo questione di avere un atlante del cervello, e durante l'esperimento regolando molto delicatamente gli elettrodi e mettendoli nel posto giusto, " disse Kemer, il cui laboratorio studia i modi per collegare i sistemi di elaborazione del segnale e la memoria del cervello e i centri cognitivi.

I medici che impiantano dispositivi di stimolazione cerebrale profonda iniziano con una sonda di registrazione in grado di "ascoltare" i neuroni che emettono segnali caratteristici a seconda delle loro funzioni, ha detto Kemer. Una volta che un chirurgo trova il posto giusto, la sonda viene rimossa e l'elettrodo stimolante viene inserito delicatamente. Le fibre di nanotubi di carbonio di riso che inviano e ricevono segnali semplificherebbero l'impianto, ha detto Vitale.

Le fibre potrebbero portare a dispositivi terapeutici autoregolanti per il Parkinson e altri pazienti. I dispositivi attuali includono un impianto che invia segnali elettrici al cervello per calmare i tremori che affliggono i malati di Parkinson.

"Ma la nostra tecnologia consente di registrare mentre stimola, " Vitale ha detto. "Gli elettrodi attuali possono solo stimolare i tessuti. Sono troppo grandi per rilevare qualsiasi attività di picco, quindi fondamentalmente i dispositivi clinici inviano impulsi continui indipendentemente dalla risposta del cervello".

Kemere prevede un sistema a circuito chiuso in grado di leggere i segnali neuronali e adattare la terapia di stimolazione in tempo reale. Prevede di costruire un dispositivo con molti elettrodi che possono essere indirizzati individualmente per ottenere un controllo preciso sulla stimolazione e il monitoraggio da un piccolo, dispositivo impiantabile.

"Interessante, la conduttività non è la proprietà elettrica più importante delle fibre di nanotubi, " ha detto Pasquali. "Queste fibre sono intrinsecamente porose ed estremamente stabili, che sono entrambi grandi vantaggi rispetto agli elettrodi metallici per il rilevamento dei segnali elettrochimici e il mantenimento delle prestazioni per lunghi periodi di tempo."