I ricercatori dell’Università della California a San Diego hanno sviluppato un impianto neurale che fornisce informazioni sull’attività nelle profondità del cervello stando seduti sulla sua superficie. L'impianto è costituito da una striscia polimerica sottile, trasparente e flessibile, imballata con una fitta serie di elettrodi di grafene. La tecnologia, testata su topi transgenici, avvicina i ricercatori alla costruzione di un'interfaccia cervello-computer (BCI) minimamente invasiva che fornisce dati ad alta risoluzione sull'attività neurale profonda utilizzando registrazioni dalla superficie del cervello.
Il lavoro è pubblicato su Nature Nanotechnology .
"Stiamo espandendo la portata spaziale delle registrazioni neurali con questa tecnologia", ha affermato l'autore senior dello studio Duygu Kuzum, professore presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego. "Anche se il nostro impianto si trova sulla superficie del cervello, il suo design va oltre i limiti della percezione fisica in quanto può dedurre l'attività neurale da strati più profondi."
Questo lavoro supera i limiti delle attuali tecnologie di impianto neurale. Gli array di superficie esistenti, ad esempio, sono minimamente invasivi, ma non hanno la capacità di catturare informazioni oltre gli strati esterni del cervello. Al contrario, i gruppi di elettrodi con aghi sottili che penetrano nel cervello sono in grado di sondare strati più profondi, ma spesso causano infiammazioni e cicatrici, compromettendo la qualità del segnale nel tempo.
Il nuovo impianto neurale sviluppato presso l'UC San Diego offre il meglio di entrambi i mondi.
L'impianto è una striscia polimerica sottile, trasparente e flessibile che si adatta alla superficie del cervello. Nella striscia è incorporata una serie ad alta densità di minuscoli elettrodi circolari di grafene, ciascuno dei quali misura 20 micrometri di diametro. Ogni elettrodo è collegato tramite un filo di grafene sottile alcuni micrometri a un circuito.
Nei test su topi transgenici, l’impianto ha consentito ai ricercatori di acquisire informazioni ad alta risoluzione su due tipi di attività neurale:attività elettrica e attività del calcio, allo stesso tempo. Quando posizionato sulla superficie del cervello, l’impianto registrava i segnali elettrici provenienti dai neuroni negli strati esterni. Allo stesso tempo, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio a due fotoni per far passare la luce laser attraverso l'impianto per acquisire immagini dei picchi di calcio provenienti dai neuroni situati a una profondità di 250 micrometri sotto la superficie.
I ricercatori hanno trovato una correlazione tra i segnali elettrici superficiali e i picchi di calcio negli strati più profondi. Questa correlazione ha consentito ai ricercatori di utilizzare segnali elettrici di superficie per addestrare le reti neurali a prevedere l'attività del calcio, non solo per grandi popolazioni di neuroni, ma anche per singoli neuroni, a varie profondità.
"Il modello di rete neurale è addestrato per apprendere la relazione tra le registrazioni elettriche superficiali e l'attività degli ioni calcio dei neuroni in profondità", ha affermato Kuzum. "Una volta appresa questa relazione, possiamo utilizzare il modello per prevedere l'attività in profondità dalla superficie."
Un vantaggio di poter prevedere l'attività del calcio dai segnali elettrici è che supera i limiti degli esperimenti di imaging. Quando si esegue l'imaging di picchi di calcio, la testa del soggetto deve essere fissata al microscopio. Inoltre, questi esperimenti possono durare solo un'ora o due alla volta.
"Poiché le registrazioni elettriche non hanno queste limitazioni, la nostra tecnologia rende possibile condurre esperimenti di lunga durata in cui il soggetto è libero di muoversi ed eseguire compiti comportamentali complessi", ha affermato il coautore dello studio Mehrdad Ramezani, ingegnere elettrico e informatico. Dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Kuzum. "Ciò può fornire una comprensione più completa dell'attività neurale in scenari dinamici del mondo reale."
La tecnologia deve il suo successo a diverse caratteristiche di progettazione innovative:trasparenza ed elevata densità di elettrodi combinati con metodi di apprendimento automatico.
"Questa nuova generazione di elettrodi di grafene trasparenti incorporati ad alta densità ci consente di campionare l'attività neurale con una risoluzione spaziale più elevata", ha affermato Kuzum. "Di conseguenza, la qualità dei segnali migliora in modo significativo. Ciò che rende questa tecnologia ancora più notevole è l'integrazione di metodi di apprendimento automatico, che consentono di prevedere l'attività neurale profonda dai segnali di superficie."
Questo studio è stato uno sforzo di collaborazione tra più gruppi di ricerca presso l'UC San Diego. Il team, guidato da Kuzum, specializzato nello sviluppo di interfacce neurali multimodali, comprende il professore di nanoingegneria Ertugrul Cubukcu, specializzato in tecniche avanzate di micro e nanofabbricazione per materiali di grafene; il professore di ingegneria elettrica e informatica Vikash Gilja, il cui laboratorio integra conoscenze specifiche di dominio dai campi delle neuroscienze di base, dell'elaborazione dei segnali e dell'apprendimento automatico per decodificare i segnali neurali; e il professore di neurobiologia e neuroscienze Takaki Komiyama, il cui laboratorio si concentra sullo studio dei meccanismi dei circuiti neurali che sono alla base dei comportamenti flessibili.
La trasparenza è una delle caratteristiche principali di questo impianto neurale. Gli impianti tradizionali utilizzano materiali metallici opachi per i loro elettrodi e fili, che bloccano la vista dei neuroni sotto gli elettrodi durante gli esperimenti di imaging. Al contrario, un impianto realizzato con grafene è trasparente, il che fornisce un campo visivo completamente chiaro per un microscopio durante gli esperimenti di imaging.
"Solo con questa tecnologia è possibile un'integrazione perfetta della registrazione simultanea dei segnali elettrici e dell'immagine ottica dell'attività neurale", ha affermato Kuzum. "Essere in grado di condurre entrambi gli esperimenti contemporaneamente ci fornisce dati più rilevanti perché possiamo vedere come gli esperimenti di imaging sono accoppiati nel tempo alle registrazioni elettriche."
Per rendere l’impianto completamente trasparente, i ricercatori hanno utilizzato fili di grafene lunghi e super sottili invece dei tradizionali fili metallici per collegare gli elettrodi al circuito. Tuttavia, fabbricare un singolo strato di grafene sotto forma di filo sottile e lungo è impegnativo perché qualsiasi difetto renderà il filo non funzionale, ha spiegato Ramezani. "Potrebbe esserci uno spazio vuoto nel filo di grafene che impedisce al segnale elettrico di fluire, quindi sostanzialmente ti ritroverai con un filo rotto."
I ricercatori hanno affrontato questo problema utilizzando una tecnica intelligente. Invece di fabbricare i fili come un singolo strato di grafene, li hanno fabbricati come un doppio strato drogato con acido nitrico nel mezzo.
"Avendo due strati di grafene uno sopra l'altro, ci sono buone probabilità che i difetti di uno strato vengano mascherati dall'altro strato, garantendo la creazione di fili di grafene completamente funzionali, sottili e lunghi con una migliore conduttività", ha affermato Ramezani.
Secondo i ricercatori, questo studio dimostra la serie di elettrodi trasparenti più densamente assemblata su un impianto neurale situato in superficie fino ad oggi. Per raggiungere un’elevata densità è stato necessario fabbricare elettrodi di grafene estremamente piccoli. Ciò ha rappresentato una sfida considerevole, poiché riducendo le dimensioni degli elettrodi di grafene aumenta la loro impedenza, ostacolando il flusso di corrente elettrica necessaria per registrare l'attività neurale.
Per superare questo ostacolo, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di microfabbricazione sviluppata dal laboratorio di Kuzum che prevede il deposito di nanoparticelle di platino sugli elettrodi di grafene. Questo approccio ha migliorato significativamente il flusso di elettroni attraverso gli elettrodi mantenendoli piccoli e trasparenti.
Successivamente il team si concentrerà sulla sperimentazione della tecnologia su diversi modelli animali, con l'obiettivo finale della traduzione umana in futuro.
Il gruppo di ricerca di Kuzum si dedica anche all'utilizzo della tecnologia per far avanzare la ricerca neuroscientifica fondamentale. Con questo spirito, stanno condividendo la tecnologia con laboratori negli Stati Uniti e in Europa, contribuendo a diversi studi che vanno dalla comprensione di come l’attività vascolare è accoppiata all’attività elettrica nel cervello fino allo studio di come le cellule cerebrali siano così efficienti nel creare memoria spaziale. .
"Questa tecnologia può essere utilizzata per tante diverse indagini neuroscientifiche fondamentali e siamo ansiosi di fare la nostra parte per accelerare il progresso verso una migliore comprensione del cervello umano", ha affermato Kuzum.
Ulteriori informazioni: Matrici di grafene trasparenti ad alta densità per prevedere l'attività del calcio cellulare in profondità dalle registrazioni del potenziale superficiale, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-023-01576-z
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale
Fornito dall'Università della California - San Diego
