Sviluppato un inchiostro liquido che può essere stampato direttamente sul cuoio capelluto per monitorare l’attività cerebrale, offrendo un’alternativa meno invasiva alle tradizionali configurazioni EEG
La stampa digitale sul cuoio capelluto di sensori progettati su misura, simili a tatuaggi temporanei, rappresenta un progresso rivoluzionario nelle tecnologie non invasive di monitoraggio del cervello, facendo avanzare i campi delle neuroscienze, della diagnostica clinica e delle interfacce cervello-computer. I tradizionali sistemi di elettroencefalografia (electroencephalography - EEG) prevedono il posizionamento manuale degli elettrodi, che richiede molto tempo, con l'impiego di gel liquidi conduttivi e cavi ingombranti, che tendono a deteriorarsi compromettendo il segnale durante l'uso prolungato.
Per la prima volta, gli scienziati hanno sviluppato un inchiostro liquido rivoluzionario che può essere stampato direttamente sul cuoio capelluto di un paziente per monitorare l’attività cerebrale. Pubblicata sulla rivista Cell Biomaterials (1), questa tecnologia innovativa presenta un'alternativa più semplice ed efficiente ai metodi tradizionali per monitorare le onde cerebrali e diagnosticare le condizioni neurologiche. Rappresenta inoltre una promessa significativa per il progresso delle tecnologie di interfaccia cervello-computer non invasive.
«Le nostre innovazioni nella progettazione dei sensori, nell’inchiostro biocompatibile e nella stampa ad alta velocità aprono la strada alla futura produzione sul corpo di sensori elettronici per tatuaggi, con ampie applicazioni sia all’interno che all’esterno degli ambienti clinici», afferma la dottoressa Nanshu Lu (2), autrice e ricercatrice co-corrispondente presso l'University of Texas di Austin.
Rivoluzionare l’EEG con gli E-tatuaggi
L’elettroencefalografia (EEG) è uno strumento importante per diagnosticare una varietà di condizioni neurologiche, tra cui convulsioni, tumori cerebrali, epilessia e lesioni cerebrali. Durante un test EEG tradizionale, i tecnici misurano il cuoio capelluto del paziente con righelli e matite, segnando oltre una dozzina di punti dove incolleranno gli elettrodi, che sono collegati a una macchina di raccolta dati tramite lunghi fili per monitorare l’attività cerebrale del paziente. Questa configurazione richiede tempo ed è scomoda, e può risultare scomoda per molti pazienti, che devono sostenere l'esame EEG per ore.
Lu e il suo team sono stati pionieri nello sviluppo di piccoli sensori che tracciano i segnali corporei provenienti dalla superficie della pelle umana, una tecnologia nota come tatuaggi elettronici o e-tatuaggi. Gli scienziati hanno applicato tatuaggi elettronici sul petto per misurare l’attività cardiaca, sui muscoli per misurare quanto sono affaticati e persino sotto l’ascella per misurare le componenti del sudore.
Superare le sfide
In passato, i tatuaggi elettronici venivano solitamente stampati su un sottile strato di materiale adesivo prima di essere trasferiti sulla pelle, ma questo era efficace solo sulle aree prive di peli.
«Progettare materiali compatibili con la pelle pelosa è stata una sfida persistente nella tecnologia del tatuaggio elettronico», afferma la dottoressa Lu. Per superare questo problema, il team ha progettato un tipo di inchiostro liquido costituito da polimeri conduttivi. L'inchiostro può scorrere attraverso i capelli per raggiungere il cuoio capelluto e, una volta asciugato, funziona come un sensore a pellicola sottile, rilevando l'attività cerebrale attraverso il cuoio capelluto.
Utilizzando un algoritmo informatico, i ricercatori possono progettare i punti per gli elettrodi EEG sul cuoio capelluto del paziente. Quindi, utilizzano una stampante a getto d’inchiostro controllata digitalmente per spruzzare un sottile strato di inchiostro per tatuaggio elettronico sui punti. Il processo è rapido, non richiede contatto e non provoca disagio ai pazienti, hanno affermato i ricercatori.
Confronto tra tatuaggi elettronici ed EEG tradizionale
Il team ha stampato gli elettrodi per tatuaggio elettronico sul cuoio capelluto di cinque partecipanti con i capelli corti. Hanno anche attaccato gli elettrodi EEG convenzionali accanto ai tatuaggi elettronici. Il team ha scoperto che gli e-tatuaggi hanno funzionato relativamente bene nel rilevare le onde cerebrali con un rumore minimo.
Dopo sei ore, il gel sugli elettrodi convenzionali ha iniziato a seccarsi. Oltre un terzo di questi elettrodi non è riuscito a rilevare alcun segnale, sebbene la maggior parte degli elettrodi rimanenti avesse un contatto ridotto con la pelle, con conseguente rilevamento del segnale meno accurato. Gli elettrodi dell’e-tattoo, invece, hanno mostrato una connettività stabile per almeno 24 ore.
Inoltre, i ricercatori hanno modificato la formula dell’inchiostro e stampato le linee del tatuaggio elettronico che scendono fino alla base della testa dagli elettrodi per sostituire i fili utilizzati in un test EEG standard. «Questa modifica ha consentito ai fili stampati di condurre segnali senza captarne di nuovi lungo il percorso», afferma l'autore co-corrispondente Ximin He (3) dell'University of California, Los Angeles.
Il team ha poi collegato dei cavi fisici molto più corti tra i tatuaggi a un piccolo dispositivo che raccoglie i dati delle onde cerebrali. Il team ha affermato che in futuro prevede di incorporare trasmettitori di dati wireless negli e-tatuaggi per ottenere un processo EEG completamente wireless.
Impatto potenziale sui dispositivi di interfaccia cervello-computer
«Il nostro studio può potenzialmente rivoluzionare il modo in cui vengono progettati i dispositivi di interfaccia cervello-computer non invasivi», afferma l’autore corrispondente José Millán (3) dell’University of Texas di Austin. I dispositivi di interfaccia cervello-computer funzionano registrando le attività cerebrali associate a una funzione, come la parola o il movimento, e li usano per controllare un dispositivo esterno senza dover muovere un muscolo.
«Attualmente, questi dispositivi spesso comportano un auricolare di grandi dimensioni che è ingombrante da usare. I tatuaggi elettronici hanno il potenziale per sostituire il dispositivo esterno e stampare i componenti elettronici direttamente sulla testa del paziente, rendendo la tecnologia dell’interfaccia cervello-computer più accessibile», conclude José Millán.
Riferimenti:
(1) On-scalp printing of personalized electroencephalography e-tattoos
(2) Nanshu Lu
(3) Ximin He
(3) José Millán
Descrizione foto: Un nuovo inchiostro liquido sviluppato dagli scienziati può essere stampato come tatuaggi elettronici sul cuoio capelluto per misurare in modo efficace l’attività cerebrale, fornendo una comoda alternativa all’EEG convenzionale. - Credit: Nanshu Lu.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Mind-Reading Tattoos Revolutionize Brainwave Monitoring in Real-Time