Elettrodi flessibili a film sottile impiantati direttamente sul tessuto cerebrale si dimostrano promettenti per la diagnosi e il trattamento dell'epilessia
Gli elettrodi neurali per la registrazione dell'elettrocorticografia (electrocorticography - ECoG) e la stimolazione elettrica vengono utilizzati per la diagnosi e il trattamento dell'epilessia e vengono temporaneamente attaccati alla superficie della corteccia cerebrale all'interno dello spazio subdurale. Tuttavia, gli elettrodi convenzionali presentano un disadattamento meccanico con la curvatura superficiale della corteccia cerebrale. Pertanto, è necessario sviluppare un elettrodo ECoG sottile e flessibile per superare il disadattamento meccanico con il tessuto corticale e ottenere misurazioni ECoG a lungo termine.
Come dimostrato recentemente dagli scienziati della Tokyo Tech, Grazie a un design innovativo ma semplice, questi nuovi elettrodi durevoli a film sottile si adattano accuratamente alle proprietà meccaniche del tessuto cerebrale, garantendo prestazioni migliori durante le registrazioni elettrocorticografiche e la stimolazione neurale mirata.
Misurare l’attività cerebrale è una tecnica utile per diagnosticare l’epilessia e altri disturbi neuropsichiatrici. Tra i vari approcci adottati, l’elettroencefalografia (electroencephalography - EEG) è quello meno invasivo. Durante le registrazioni EEG, gli elettrodi vengono generalmente posizionati sul cuoio capelluto. Tuttavia, ciò limita la risoluzione dell’EEG poiché i segnali elettrici provenienti dal cervello vengono attenuati e distorti nel momento in cui raggiungono il cuoio capelluto.
Al contrario, l’elettrocorticografia (ECoG) prevede il posizionamento di elettrodi neurali direttamente sulla superficie del cervello. Essendo a stretto contatto con la regione di interesse, gli elettrodi ECoG forniscono registrazioni migliori dell'attività cerebrale. Inoltre, attraverso di essi è anche possibile inviare impulsi elettrici per stimolare gruppi specifici di neuroni con l'obiettivo di gestire le crisi epilettiche. Tuttavia, gli elettrodi ECoG convenzionali presentano un grave inconveniente. Di solito non corrispondono alle proprietà meccaniche e alla curvatura del tessuto cerebrale, con conseguente aumento della pressione cerebrale e altri effetti avversi. Sebbene siano stati sviluppati elettrodi neurali morbidi per mitigare questo problema, mancano di durabilità e resistenza o richiedono processi di fabbricazione complessi.
Per affrontare questi problemi, un gruppo di ricerca guidato dal professore associato Toshinori Fujie (1) del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) ha sviluppato un nuovo tipo di elettrodo neurale flessibile. Il loro design e i loro risultati, recentemente pubblicati su Advanced Materials Technologies (2), possono rivoluzionare il modo in cui vengono eseguite le registrazioni ECoG e la stimolazione neurale diretta.
Il substrato dell'elettrodo proposto è costituito da una pellicola sottile costituita da un materiale flessibile chiamato polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS). I ricercatori hanno utilizzato una stampante a getto d’inchiostro per fabbricare un cablaggio conduttivo sull’elettrodo con nanoinchiostro d’oro. Infine, hanno coperto il circuito impilando un altro strato SBS come isolante, con microcanali perforati al laser come punti di misurazione o stimolazione.
Attraverso approfonditi test meccanici e simulazioni, i ricercatori hanno dimostrato che l'elettrodo si conforma accuratamente alla forma del tessuto cerebrale contenente molte creste irregolari. Anche il suo semplice processo di progettazione e fabbricazione rappresenta un grande vantaggio, poiché favorisce l'adozione diffusa dell'elettrodo proposto nelle applicazioni pratiche. «Per quanto ne sappiamo, questo è il primo studio a dimostrare tali elettrodi ECoG ultra-conformabili basati su elettronica stampata, che corrispondono strettamente alle proprietà meccaniche del tessuto cerebrale», sottolinea il dottor Fujie.
Per mostrare il potenziale del loro progetto, il team ha condotto diversi esperimenti su modelli di ratti epilettici. Utilizzando gli elettrodi ECoG di nuova concezione, hanno potuto misurare con precisione la risposta neurale nel cervello di questi ratti quando uno dei loro baffi veniva stimolato meccanicamente. Inoltre, potrebbero visualizzare l’attività convulsiva durante un’epilessia indotta chimicamente. Inoltre, attivando il movimento dei baffi e delle braccia dei ratti tramite impulsi elettrici inviati attraverso canali specifici, i ricercatori hanno dimostrato che gli elettrodi proposti possono stimolare diverse regioni del cervello.
Nel complesso, questi risultati evidenziano il potenziale degli elettrodi neurali flessibili a film sottile per la diagnosi e il trattamento dell’epilessia e di altre malattie del cervello. In particolare, gli elettrodi non hanno causato alcuna infiammazione o effetto negativo nel cervello dei ratti anche diverse settimane dopo la procedura, evidenziando la loro compatibilità con il tessuto biologico.
I ricercatori intendono migliorare ulteriormente il loro design per renderlo adatto alle applicazioni cliniche. «L'integrazione del nostro elettrodo a film sottile con un dispositivo impiantabile potrebbe renderlo ancora meno invasivo e più sensibile all'attività elettrica anomala del cervello», spiega il dottor Fujie. «Ciò consentirebbe di migliorare le strategie diagnostiche e terapeutiche per la gestione dell’epilessia intrattabile».
E speriamo davvero che le sue visioni si realizzino presto!
Tokyo Tech è all'avanguardia nella ricerca e nell'istruzione superiore come università leader per la scienza e la tecnologia in Giappone. I ricercatori della Tokyo Tech eccellono in campi che vanno dalla scienza dei materiali alla biologia, all'informatica e alla fisica. Fondata nel 1881, Tokyo Tech ospita ogni anno oltre 10.000 studenti universitari e laureati, che diventano leader scientifici e alcuni degli ingegneri più ricercati nel settore. Incarnando la filosofia giapponese del “monotsukuri”, che significa “ingegno tecnico e innovazione”, la comunità Tokyo Tech si impegna a contribuire alla società attraverso una ricerca ad alto impatto. (3)
Riferimenti:
(1) Toshinori Fujie
(3) Tokyo Institute of Technology
Descrizione foto: Elettrodi flessibili a film sottile posizionati direttamente sul tessuto cerebrale si dimostrano promettenti per la diagnosi e il trattamento dell'epilessia, come dimostrato recentemente dagli scienziati della Tokyo Tech. Grazie a un design innovativo ma semplice, questi elettrodi durevoli si adattano accuratamente alle proprietà meccaniche del tessuto cerebrale, garantendo prestazioni migliori durante le registrazioni elettrocorticografiche e la stimolazione neurale mirata. - Credit: Toshinori Fujie.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Revolutionizing Brain Monitoring and Stimulation with Thin-Film Neural Electrodes