Convenzionale dispositivi medici impiantabili disegnato per stimolazione cerebrale sono spesso troppo rigide e voluminose per quello che è uno dei tessuti più morbidi e delicati del corpo.
Immagine al microscopio a due fotoni di un nanoelettrodo (giallo) dopo due mesi impiantato nel cervello di un topo, con neuroni attivi sani (regioni luminose) adiacenti all’impianto. Credito immagine: Rice Neuroengineering Initiative/Rice University
Per affrontare il problema, gli ingegneri della Rice University hanno sviluppato nanoelettrodi minimamente invasivi e ultra flessibili che potrebbero essere una piattaforma impiantata per la somministrazione di una terapia di stimolazione a lungo termine e ad alta risoluzione.
Secondo uno studio pubblicato in Rapporti cellulari, i minuscoli dispositivi impiantabili formavano interfacce tessuto-elettrodo stabili, durature e senza soluzione di continuità con cicatrici o degradazione minime nei roditori. I dispositivi hanno erogato impulsi elettrici che corrispondono ai pattern e alle ampiezze dei segnali neuronali più strettamente rispetto agli stimoli degli elettrodi intracorticali convenzionali.
I dispositivi elevata biocompatibilità e un preciso controllo dello stimolo spaziotemporale potrebbe consentire lo sviluppo di nuove terapie di stimolazione cerebrale come le protesi neuronali per i pazienti con funzioni sensoriali o motorie compromesse.
“Questa carta usa immaginicomportamentale e istologico tecniche per mostrare come questi elettrodi integrati nel tessuto migliorano l’efficacia della stimolazione”, ha affermato Lan Luan, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica e autore corrispondente dello studio. “Il nostro elettrodo fornisce minuscoli impulsi elettrici per eccitare l’attività neurale in modo molto controllabile.
“Siamo stati in grado di ridurre la corrente necessaria per suscitare l’attivazione neuronale di più di un ordine di grandezza. Gli impulsi possono essere sottili come un paio di centinaia microsecondi di durata e uno o due microampere in ampiezza”.
Il nuovo design dell’elettrodo sviluppato dai ricercatori nel Iniziativa di neuroingegneria del riso rappresenta un miglioramento significativo rispetto agli elettrodi impiantabili convenzionali usati per trattare condizioni come morbo di Parkinson, epilessia E disturbo ossessivo-compulsivoche può causare risposte tissutali avverse e cambiamenti involontari nell’attività neurale.
“Gli elettrodi convenzionali sono molto invasivi”, ha detto Chong Xi, professore associato di ingegneria elettrica e informatica e corrispondente autore dello studio. “Reclutano migliaia o addirittura milioni di neuroni alla volta.
“Ciascuno di quei neuroni dovrebbe avere la propria sintonia e coordinarsi in uno schema specifico. Ma quando li shock tutti allo stesso tempo, stai sostanzialmente interrompendo la loro funzione. In alcuni casi funziona bene per te e ha l’effetto terapeutico desiderato. Ma se, ad esempio, vuoi codificare le informazioni sensoriali, hai bisogno di un controllo molto maggiore sugli stimoli.
Xie ha paragonato la stimolazione tramite elettrodi convenzionali con l’effetto dirompente di “soffiare un corno d’aria nell’orecchio di tutti o avere un altoparlante a tutto volume” in una stanza piena di persone.
“Avevamo questo altoparlante molto grande, e ora tutti hanno un auricolare”, ha detto.
La capacità di regolare la frequenza, la durata e l’intensità dei segnali potrebbe consentire lo sviluppo di nuovi dispositivi protesici sensoriali.
“L’attivazione dei neuroni è più diffusa se si utilizza una corrente maggiore”, ha detto Luan. “Siamo stati in grado di ridurre la corrente e abbiamo dimostrato di avere un’attivazione molto più mirata. Questo può tradursi in dispositivi di stimolazione ad alta risoluzione”.
Luan E Xi sono membri principali della Rice Neuroengineering Initiative e i loro laboratori stanno anche collaborando allo sviluppo di un dispositivo protesico visivo impiantabile per pazienti non vedenti.
“Immagina un giorno di poter impiantare array di elettrodi per ripristinare la funzione sensoriale compromessa: più l’attivazione dei neuroni è focalizzata e deliberata, più precisa è la sensazione che stai generando”, ha detto Luan.
UN precedente iterazione dei dispositivi era solito registrare l’attività cerebrale.
“Abbiamo avuto una serie di pubblicazioni in mostra questa integrazione del tessuto intimo abilitata dal design ultraflessibile del nostro elettrodo migliora davvero la nostra capacità di registrare l’attività cerebrale per periodi più lunghi e con una migliore rapporti segnale/rumore”, ha detto Luan, che è stato promosso a professore associato a partire dal 1° luglio.
Fonte: Università del Riso
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