I ricercatori di ingegneria dell'Università del Texas ad Austin hanno progettato ultra-flessibili, sonde cerebrali a filo nanoelettronico (NET) che possono ottenere registrazioni neurali a lungo termine più affidabili rispetto alle sonde esistenti e non provocano la formazione di cicatrici quando vengono impiantate. I ricercatori hanno descritto i loro risultati in un articolo di ricerca pubblicato il 15 febbraio in Progressi scientifici .

Una squadra guidata da Chong Xie, un assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica della Cockrell School of Engineering, e Lan Luan, un ricercatore presso la Cockrell School e il College of Natural Sciences, hanno sviluppato nuove sonde che hanno una compliance meccanica che si avvicina a quella del tessuto cerebrale e sono più di 1, 000 volte più flessibile di altre sonde neurali. Questa ultra-flessibilità porta a una migliore capacità di registrare e monitorare in modo affidabile l'attività elettrica dei singoli neuroni per lunghi periodi di tempo. C'è un crescente interesse nello sviluppo del monitoraggio a lungo termine di singoli neuroni per applicazioni di interfaccia neurale, come l'estrazione di segnali di controllo neurale per gli amputati per controllare protesi ad alte prestazioni. Apre anche nuove possibilità per seguire la progressione di malattie neurovascolari e neurodegenerative come ictus, Malattie di Parkinson e di Alzheimer.

Uno dei problemi con le sonde convenzionali è la loro dimensione e rigidità meccanica; le loro dimensioni maggiori e le strutture più rigide spesso causano danni intorno al tessuto che racchiudono. Inoltre, mentre è possibile per gli elettrodi convenzionali registrare l'attività cerebrale per mesi, spesso forniscono registrazioni inaffidabili e degradanti. È anche difficile per gli elettrodi convenzionali monitorare elettrofisiologicamente i singoli neuroni per più di pochi giorni.

In contrasto, gli elettrodi del team di UT Austin sono sufficientemente flessibili da rispettare i movimenti su microscala dei tessuti e rimanere al loro posto. Le dimensioni della sonda riducono inoltre drasticamente lo spostamento dei tessuti, quindi l'interfaccia cerebrale è più stabile, e le letture sono più affidabili per periodi di tempo più lunghi. A conoscenza dei ricercatori, la sonda UT Austin, che è piccola quanto 10 micron con uno spessore inferiore a 1 micron, e ha una sezione trasversale che è solo una frazione di quella di un neurone o di un capillare sanguigno, è la più piccola tra tutte le sonde neurali.

"Quello che abbiamo fatto nella nostra ricerca è dimostrare che possiamo sopprimere la reazione tissutale mantenendo una registrazione stabile, " Xie ha detto. "Nel nostro caso, perché gli elettrodi sono molto, molto flessibile, non vediamo alcun segno di danno cerebrale:i neuroni sono rimasti in vita anche a contatto con le sonde NET, le cellule gliali sono rimaste inattive e il sistema vascolare non ha avuto perdite".

In esperimenti su modelli murini, i ricercatori hanno scoperto che la flessibilità e le dimensioni della sonda hanno impedito l'agitazione delle cellule gliali, che è la normale reazione biologica a un corpo estraneo e porta a cicatrici e perdita neuronale.

"La parte più sorprendente del nostro lavoro è che il tessuto cerebrale vivente, il sistema biologico, non mi dispiace davvero avere un dispositivo artificiale in giro per mesi, " ha detto Luan.

I ricercatori hanno anche utilizzato tecniche di imaging avanzate in collaborazione con il professore di ingegneria biomedica Andrew Dunn e i neuroscienziati Raymond Chitwood e Jenni Siegel dell'Institute for Neuroscience dell'UT Austin per confermare che l'interfaccia neurale abilitata NET non si è degradata nel modello murino per oltre quattro mesi di esperimenti. I ricercatori hanno in programma di continuare a testare le loro sonde in modelli animali e sperano di impegnarsi eventualmente in test clinici. La ricerca ha ricevuto finanziamenti dal programma di sovvenzioni seed UT BRAIN, il Dipartimento della Difesa e l'Istituto Superiore di Sanità.