Le macchine stanno diventando accoglienti con le nostre cellule. I sensori incorporabili registrano come e quando i neuroni si attivano; gli elettrodi accendono le cellule del cuore per battere o le cellule del cervello per sparare; dispositivi simili a neuroni potrebbero persino incoraggiare una ricrescita più rapida dopo l'impianto nel cervello.

Prossimamente, le cosiddette interfacce cervello-macchina potrebbero fare ancora di più:monitorare e trattare i sintomi di disturbi neurologici come il morbo di Parkinson, fornire un modello per progettare l'intelligenza artificiale, o addirittura consentire la comunicazione da cervello a cervello.

Per raggiungere il raggiungibile e il donchisciottesco, i dispositivi hanno bisogno di un modo per immergersi letteralmente più a fondo nelle nostre cellule per eseguire la ricognizione. Più sappiamo come funzionano i neuroni, più possiamo emulare, replicare, e trattarli con le nostre macchine.

Ora, in un articolo pubblicato su Nanotecnologia della natura , Charles M. Lieber, il professore universitario di Joshua e Beth Friedman, presenta un aggiornamento ai suoi dispositivi originali su nanoscala per la registrazione intracellulare, la prima nanotecnologia sviluppata per registrare le vibrazioni elettriche all'interno di una cellula viva. Nove anni dopo, Lieber e il suo team hanno progettato un modo per realizzare migliaia di questi dispositivi contemporaneamente, creando un esercito su nanoscala che potrebbe accelerare gli sforzi per scoprire cosa sta succedendo all'interno delle nostre cellule.

Prima del lavoro di Lieber, dispositivi simili hanno affrontato un enigma di Riccioli d'oro:troppo grande, e registrerebbero i segnali interni ma ucciderebbero la cellula. Troppo piccolo, e non sono riusciti ad attraversare la membrana della cellula:le registrazioni sono risultate rumorose e imprecise.

I nuovi nanofili di Lieber erano perfetti. Progettato e segnalato nel 2010, gli originali avevano una punta a forma di "V" su scala nanometrica con un transistor nella parte inferiore della "V". Questo progetto potrebbe perforare le membrane cellulari e inviare dati accurati al team senza distruggere la cellula.

Ma c'era un problema. I nanofili di silicio sono molto più lunghi che larghi, rendendoli traballanti e difficili da maneggiare. "Sono flessibili come le tagliatelle cotte, "dice Anqi Zhang, uno studente laureato nel Lieber Lab e uno degli autori dell'ultimo lavoro del team.

Per creare i dispositivi originali, i membri del laboratorio hanno dovuto intrappolare un noodle alla volta, trova ogni braccio della "V, " e poi intrecciare i fili nel dispositivo di registrazione. Per realizzare un paio di dispositivi ci sono volute dalle 2 alle 3 settimane. "È stato un lavoro molto noioso, "dice Zhang.

Ma i nanofili non sono fatti uno alla volta; sono fatti in massa come le stesse cose a cui assomigliano:spaghetti cotti. Utilizzando il metodo catalizzato da nanocluster vapore-liquido-solido, che Lieber ha usato per creare i primi nanofili, il team costruisce un ambiente in cui i fili possono germogliare da soli. Possono predeterminare il diametro e la lunghezza di ciascun filo, ma non il modo in cui i fili vengono posizionati una volta pronti. Anche se crescono migliaia o addirittura milioni di nanofili alla volta, il risultato finale è un pasticcio di spaghetti invisibili.

Per districare il disordine, Lieber e il suo team hanno progettato una trappola per i loro noodles cotti sfusi:realizzano trincee a forma di U su un wafer di silicio e poi pettinano i nanofili sulla superficie. Questo processo di "pettinatura" districa il disordine e deposita ogni nanofilo in un foro a forma di U pulito. Quindi, ogni curva a "U" ottiene un minuscolo transistor, simile al fondo dei loro dispositivi a forma di "V".

Con il metodo del "pettino", Lieber e il suo team completano centinaia di dispositivi a nanofili nello stesso tempo impiegato per realizzarne solo un paio. "Perché sono molto ben allineati, sono molto facili da controllare, " dice Zhang.

Finora, Zhang e i suoi colleghi hanno utilizzato i dispositivi su nanoscala a forma di "U" per registrare i segnali intracellulari nelle cellule sia neurali che cardiache nelle colture. Rivestito con una sostanza che imita la sensazione di una membrana cellulare, i nanofili possono attraversare questa barriera con il minimo sforzo o danneggiare la cellula. E, possono registrare le vibrazioni intracellulari con lo stesso livello di precisione del loro più grande concorrente:gli elettrodi patch clamp.

Gli elettrodi patch clamp sono circa 100 volte più grandi dei nanofili. Come suggerisce il nome, lo strumento si blocca sulla membrana di una cellula, provocando danni irreversibili. L'elettrodo patch clamp può catturare una registrazione stabile dei segnali elettrici all'interno delle cellule. Ma, Zhang dice, "dopo la registrazione, la cellula muore".

I dispositivi su nanoscala a forma di "U" del team Lieber sono più amichevoli per i loro ospiti cellulari. "Possono essere inseriti in più celle in parallelo senza causare danni, " dice Zhang.

Proprio adesso, i dispositivi sono così delicati che la membrana cellulare li spinge fuori dopo circa 10 minuti di registrazione. Per estendere questa finestra con il loro prossimo design, il team potrebbe aggiungere un po' di colla biochimica alla punta o irruvidire i bordi in modo che il filo si impigli contro la membrana.

I dispositivi su scala nanometrica hanno un altro vantaggio rispetto al patch clamp:possono registrare più celle in parallelo. Con i morsetti, i ricercatori possono raccogliere solo poche registrazioni cellulari alla volta. Per questo studio, Zhang ha registrato fino a dieci cellule contemporaneamente. "Potenzialmente, che può essere molto più grande, " dice. Più celle possono registrare alla volta, più possono vedere come le reti di cellule interagiscono tra loro come fanno nelle creature viventi.

Nel processo di ridimensionamento del loro progetto di nanofili, il team ha anche confermato una teoria di vecchia data, chiamata ipotesi della curvatura. Dopo che Lieber ha inventato i primi nanofili, i ricercatori hanno ipotizzato che la larghezza della punta di un nanofilo (la parte inferiore della "V" o "U") può influenzare la risposta di una cellula al filo. Per questo studio, il team ha sperimentato più curve a "U" e dimensioni dei transistor. I risultati hanno confermato l'ipotesi originale:cellule come una punta stretta e un piccolo transistor.

"La bellezza della scienza per molti, noi inclusi, sta avendo tali sfide per guidare ipotesi e lavoro futuro, " Afferma Lieber. Con la sfida della scalabilità alle spalle, il team spera di acquisire registrazioni ancora più precise, forse all'interno di strutture subcellulari, e registrare le cellule nelle creature viventi.

Ma per Lieber, una sfida cervello-macchina è più allettante di tutte le altre:"portare i cyborg alla realtà".