Microelettrodi per piattaforme di interfaccia computer cervello

Gli array di microelettrodi forniscono i mezzi per registrare l'attività elettrofisiologica fondamentale per la ricerca sul cervello. Nonostante il suo ruolo fondamentale, non ci sono mezzi per personalizzare il layout degli elettrodi per soddisfare specifiche esigenze sperimentali o cliniche. Inoltre, gli elettrodi attuali dimostrano limiti sostanziali in termini di copertura, fragilità e spesa. Ora, il nuovo array ha il potenziale per trasformare il modo in cui i medici sono in grado di trattare i disturbi neurologici.

Stampato in 3D su scala nanometrica, l'array di microelettrodi ad altissima densità (MEA) è completamente personalizzabile. Ciò significa che un giorno, i pazienti che soffrono di epilessia o di perdita della funzionalità degli arti a causa di un ictus potrebbero ricevere un trattamento medico personalizzato ottimizzato per le loro esigenze individuali.

La collaborazione unisce le competenze del dottor Rahul Panat, professore associato di ingegneria meccanica, e del dottor Eric Yttri, assistente professore di scienze biologiche. Il team ha applicato la più recente tecnica di microfabbricazione, la stampa 3D Aerosol Jet, per produrre array che hanno risolto le principali barriere di progettazione di altri array di interfacce computer cerebrali (brain–computer interface - BCI). I risultati sono stati pubblicati su Science Advances. (1)

«La stampa 3D Aerosol Jet offriva tre vantaggi principali», ha spiegato il dottor Rahul Panat (2). «Gli utenti sono in grado di personalizzare i propri MEA (microelectrode array) per soddisfare esigenze particolari; i MEA possono lavorare in tre dimensioni nel cervello; e la densità del MEA è aumentata e quindi più robusta».

I MEA-based BCIs collegano i neuroni nel cervello con l'elettronica esterna per monitorare o stimolare l'attività cerebrale. Sono spesso utilizzati in applicazioni come dispositivi neuroprotesici, arti artificiali e impianti visivi per trasportare informazioni dal cervello alle estremità che hanno perso la funzionalità. I BCI hanno anche potenziali applicazioni nel trattamento di malattie neurologiche come epilessia, depressione e disturbo ossessivo-compulsivo. Tuttavia, i dispositivi esistenti hanno dei limiti.

Esistono due tipi di dispositivi BCI popolari. Il più antico MEA è l'array Utah, sviluppato presso l'Università dello Utah e brevettato nel 1993. Questo array a base di silicone utilizza un campo di minuscoli perni, o gambi, che possono essere inseriti direttamente nel cervello per rilevare la scarica elettrica dai neuroni alla punta di ogni spillo.

Un altro tipo è l'array Michigan che viene stampato su chip di silicone piatti e delicati. Legge gli elettroni mentre sparano attraverso i chip. A causa di limitazioni di progettazione, entrambi questi array sono in grado di registrare solo su un piano bidimensionale. Ciò significa che non possono essere personalizzati per soddisfare le esigenze di ciascun paziente o applicazione.

L'aspetto più importante di un MEA è la sua capacità di campionamento tridimensionale, che è limitata dalla densità dei microelettrodi nell'array e dalla capacità di posizionare questi array nel punto preciso che si desidera rilevare. Le moderne tecniche di produzione MEA hanno fatto enormi progressi per quanto riguarda la densità di questi array di microelettrodi. L'aggiunta della terza dimensione aumenta significativamente la capacità di campionamento degli array. Inoltre, i MEA personalizzati per ogni specifica applicazione consentono letture più accurate e ad alta fedeltà.

L'array CMU dei ricercatori è il BCI più denso, circa un ordine di grandezza più denso degli Utah Array BCI.

Sono richiesti MEA di qualità superiore. I MEA utilizzati per controllare le azioni virtuali su un computer o i movimenti complessi degli arti si stanno esaurendo sui limiti della tecnologia attuale. Le applicazioni più avanzate richiedono MEA personalizzati per ogni individuo e con una fedeltà molto più elevata rispetto a quella attualmente disponibile.

«Nel giro di pochi giorni, ora possiamo produrre un dispositivo per la medicina di precisione su misura per le esigenze di un paziente o di uno sperimentatore», afferma il dottor Eric Yttri (3), co-autore senior dello studio. Inoltre, mentre tecnologie come la stimolazione della corteccia visiva e il controllo artificiale degli arti vengono utilizzate con successo dal pubblico, la possibilità di personalizzare il sistema di controllo nel cervello potrebbe aprire la strada a enormi progressi nel campo.

Il dottor Rahul Panat prevede che potrebbero volerci cinque anni per vedere i test sull'uomo e anche più tempo per vederne l'uso commerciale. Il team è entusiasta di trasmettere questo processo di successo ad altri ricercatori nel campo per iniziare a testare un'ampia varietà di applicazioni.

È in attesa di brevetto sull'architettura e sul metodo di produzione dell'array CMU. Il passo successivo, dice Panat, è lavorare con il National Institutes of Health (NIH) e altri partner commerciali per portare questi risultati in altri laboratori il più rapidamente possibile e richiedere finanziamenti per commercializzare questa tecnologia.

La ricerca è finanziata dall'iniziativa Brain Research Through Advancing Innovation Neurotechnologies (BRAIN) del NIH.

Riferimenti:

(1) CMU Array: A 3D nanoprinted, fully customizable high-density microelectrode array platform

(1) Rahul Panat

(3) Eric Yttri

Descrizione foto: Un array di microelettrodi ad altissima densità completamente personalizzabile, nanostampato in 3D. - Credit: Carnegie Mellon University College of Engineering.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Nanoprinting electrodes for customized treatments of disease