Cose chiave da sapere:
- Dinamica neurale complessa: L'intricata rete di neuroni del cervello è essenziale per tutte le funzioni corporee, controllando tutto, dalle capacità motorie alla memoria e alla coscienza.
- Impatto della mancata corrispondenza dei materiali: Le sonde neurali tradizionali realizzate con materiali rigidi come il silicio possono causare un disadattamento meccanico all’interfaccia del cervello, portando a potenziali problemi di infiammazione e spostamento.
- Progressi nelle sonde neurali: Le recenti innovazioni utilizzano materiali morbidi e flessibili come la lega eutettica gallio-indio (EGaIn), che si adatta perfettamente alle proprietà meccaniche del tessuto cerebrale, riducendo le reazioni avverse e migliorando la stabilità della sonda.
- Sistemi personalizzabili e conformabili: Tecniche all’avanguardia prevedono la stampa di componenti dell’interfaccia neurale direttamente sul cranio, consentendo sistemi altamente personalizzati e biocompatibili che migliorano la precisione e la longevità del monitoraggio neurale.
Il cervello è l’organo più complesso del corpo. È una complessa rete 3D di neuroni che generano e trasmettono continuamente segnali per comunicare con se stessi e con il resto del corpo. L'attività neuronale del cervello è responsabile di tutte le funzioni del corpo e, a livello macro, controlla le funzioni del corpo, la coscienza e memoria formazione.
La complessità del cervello significa che qualsiasi piccola anomalia all'interno dei neuroni può avere conseguenze ampie e drastiche, tra cui portare a disturbi neurologici come l'epilessia, il morbo di Parkinson, il morbo di Alzheimer, la depressione e il dolore cronico. Neurale sonde vengono spesso utilizzati per verificare se qualcuno è a rischio di questi disturbi, nonché per monitorare l'attività e la progressione di eventuali disturbi una volta diagnosticati. Questi sono dispositivi elettronici impiantabili che trasducono i segnali ionici neurali in segnali elettronici, consentendo di mappare le attività neuronali all'interno di diverse regioni del cervello.
Sfide dei materiali tradizionali delle sonde neurali
Tuttavia, una delle sfide di molte sonde neurali oggi è che si basano su materiali solidi, come metalli o metalli silicio. Questi materiali hanno moduli elastici dell’ordine di centinaia di GPa, che sono circa sette ordini di grandezza superiori al modulo elastico del cervello. Ciò porta a una mancata corrispondenza meccanica tra sonda e cervello interfaccia che spesso causa risposte infiammatorie dal tessuto cerebrale dopo l’impianto. Queste risposte infiammatorie spesso causano lo spostamento dell'impianto dalla posizione prevista, quindi i dati richiesti non vengono sempre acquisiti e anche il paziente può provare disagio.
L'uso del gallio-indio eutettico (EGaIn) nelle sonde neurali, come discusso in studi recenti, affronta la questione cruciale del disadattamento meccanico offrendo un materiale morbido e flessibile che riduce al minimo l'irritazione dei tessuti e le risposte infiammatorie. Questa innovazione sta aprendo la strada a sistemi di monitoraggio neurale più sicuri e confortevoli.
L'uso dell'elettronica morbida aiuta a ridurre il disadattamento meccanico e le risposte infiammatorie. Numerosi studi hanno dimostrato che è possibile creare sonde neurali morbide e conformabili che hanno una migliore corrispondenza meccanica con il tessuto cerebrale per ridurre le risposte infiammatorie. Tuttavia, nonostante i progressi materiali nelle sonde stesse, queste sono ancora gestite da componenti elettronici ingombranti e rigidi montati all’interno del corpo. Questi sistemi ingombranti possono causare il rapido degrado del dispositivo nel corpo e ridurre nel tempo l’efficacia delle sonde neurali morbide. Per realizzare appieno il potenziale delle sonde neurali morbide e biocompatibili, devono essere accompagnate da componenti elettronici e da una piattaforma anch’essa morbida, conformabile e biocompatibile.
Per fornire una comprensione più chiara dei progressi tecnologici nelle sonde neurali, la Figura 1 dello studio citato illustra vividamente il processo di stampa ad alta risoluzione del metallo liquido utilizzato per creare sonde neurali morbide e flessibili. Questa figura non solo mostra gli intricati dettagli del design delle sonde, ma sottolinea anche la precisione e l'adattabilità di questo metodo di fabbricazione, che sono cruciali per garantire la compatibilità e la funzionalità delle sonde all'interno del delicato ambiente del cervello.
a Schema del sistema di stampa a metallo liquido. b Immagini SEM di modelli di metallo liquido con barre di scala a 500 µm (nero) e 50 µm (bianco). c Grafico che illustra la larghezza della linea rispetto al diametro interno dell'ugello, con barre di errore che indicano la deviazione standard. d Schema che mostra la somiglianza tra la sonda neurale morbida e il neurone. Nel riquadro: schema della vista esplosa. e Immagine SEM della punta della sonda colorata per parilene (verde) e PtB (giallo), barra della scala a 10 µm. f SEM di PtB sulla punta della sonda, barra della scala a 500 nm. g Spettroscopia di impedenza per EGaIn con e senza rivestimento PtB; l'inserto mostra l'impedenza a 1 kHz. h Confronto dei moduli elastici di materiali come rivestimenti in silicio, oro, PEDOT e EGaIn, con errori di deviazione standard. i Monitoraggio della resistenza in tempo reale di PtB/EGaIn durante la disconnessione e la riconnessione. j Impedenza di PtB/EGaIn attraverso cicli di disconnessione e riconnessione.
L’integrazione di materiali avanzati come i metalli liquidi nell’elettronica delle interfacce neurali offre un approccio rivoluzionario per garantire che l’intero sistema rimanga morbido e biocompatibile. Questa tecnica, evidenziata in recenti ricerche, ottimizza la longevità funzionale e l'efficacia delle sonde neurali impiantate.
Osservando la compatibilità dell'intero sistema di interfaccia neurale
Quando si considera la biocompatibilità dell'intero sistema implantare utilizzato per costruire l'interfaccia neurale, ci sono molti componenti elettronici sussidiari che vengono utilizzati per raccogliere i segnali dei dati grezzi dalle sonde neurali e trasmetterli dall'impianto a un server esterno nell'ospedale pronto per analisi. Inoltre, la forma piatta e rigida dei circuiti stampati che collegano le sonde ai componenti elettronici sussidiari limita anche l’uso a lungo termine delle sonde neurali e si deteriora nel tempo a causa del disadattamento meccanico con il tessuto circostante.
L’elettronica estensibile è vista come la via da seguire in quanto può imitare la curvatura naturale del corpo e non indurre alcun disadattamento meccanico che promuova le risposte infiammatorie. Tuttavia, un altro aspetto chiave è che l'elettronica, in particolare il circuito stampato, deve essere adattato al singolo paziente, poiché è il circuito che ha l'interfaccia più ampia con il tessuto circostante e ha il maggiore impatto sul disadattamento meccanico oltre il sonde stesse. I sistemi elettronici devono essere adattati al paziente perché il cranio e il cervello di ogni persona hanno dimensioni diverse e la posizione delle sonde neurali sarà diversa a seconda della regione del cervello che viene analizzata. Pertanto, è necessario sviluppare approcci in grado di soddisfare questo livello di progettazione personalizzabile a seconda del paziente e della procedura.
La personalizzazione delle interfacce neurali attraverso la stampa diretta sul cranio garantisce che ogni sistema sia adattato in modo univoco all'anatomia del paziente, migliorando sia l'efficacia che il comfort del trattamento. Questo metodo, che utilizza un posizionamento preciso e materiali come i metalli liquidi, può migliorare significativamente i risultati per i pazienti riducendo il rischio di disadattamento meccanico e la conseguente risposta dei tessuti.
Nuovo sistema di interfaccia neurale che offre flessibilità multicomponente
I ricercatori hanno ora iniziato a stampare le sonde neurali, i circuiti stampati e i componenti elettronici sussidiari direttamente sul cervello e sul cranio, nel tentativo di soddisfare le esigenze di personalizzazione e di elettronica morbida. Il risultato è un sistema di interfaccia neurale morbido e conformabile in grado di monitorare le attività delle singole unità dei neuroni con stabilità a lungo termine. I componenti del sistema di interfaccia neurale sono stati stampati utilizzando una lega eutettica gallio-indio (EGaIn; 75.5% gallio, 24.5% indio in peso), che è un metallo liquido a base di gallio.
Le sonde neurali morbide di metallo liquido che sono state stampate avevano un diametro su scala subcellulare, con lunghezze adattabili, e sono state impiantate nel cervello. I circuiti, le interconnessioni e l'elettronica sussidiaria del metallo liquido sono stati tutti stampati direttamente sulla superficie del cranio, consentendo al sistema completo di avere un'integrazione conforme al corpo e una migliore biocompatibilità. Il sistema circuitale stampato sul cranio era anche in grado di trasmettere il segnale neurale misurato in modalità wireless a uno smartphone. I segnali delle sonde neurali sono stati potenziati anche dalla formazione di nanocluster di platino sulle sonde neurali all'interfaccia neurone-sonda.
La scala subcellulare delle sonde neuronali stampate era strutturalmente e meccanicamente simile ai neuroni. Le lunghezze delle sonde potrebbero essere controllate stampando il metallo liquido attraverso un ugello capillare, garantendo che le sonde potessero essere modificate con precisione a varie profondità e regioni del cervello a seconda della procedura e delle regioni di interesse. Il modulo morbido delle sonde neuronali stampate è stato in grado di ripristinare le loro proprietà di conduzione elettrica in caso di deformazione estrema grazie alle capacità di autoriparazione del metallo liquido.
L’applicazione del metallo liquido nelle sonde neurali non solo consente lunghezze e diametri su scala subcellulare regolabili, ma introduce anche un miglioramento significativo nella conduttività elettrica e nelle proprietà meccaniche delle sonde. Questa adattabilità garantisce che le sonde possano essere regolate con precisione per colpire aree specifiche del cervello, migliorando la precisione del monitoraggio neurale e delle strategie di trattamento.
Progressi nelle applicazioni dell'interfaccia neurale
I ricercatori hanno anche dimostrato la capacità di formare circuiti miniaturizzati e conformi sul cranio di un topo vivo e hanno effettuato registrazioni neurali wireless dell'attività cerebrale. Le sonde sono state utilizzate per la registrazione neurale e test comportamentali su topi che si muovevano liberamente. I potenziali di campo locale (LFP) e i picchi di singole unità in diverse regioni del cervello sono stati studiati per un lungo periodo di registrazione di 33 settimane, dimostrando l'adattabilità del processo per creare interfacce neurali stampabili che possono essere utilizzate per misurare diverse regioni del cervello per lunghi periodi di tempo senza degrado.
La registrazione dei segnali neurali è stata eseguita utilizzando entrambi Wi-Fi e un sistema di comunicazione a campo vicino (NFC). L’integrazione del sistema di comunicazione NFC nel cuoio capelluto ha ottenuto risultati positivi e il trasferimento di dati per l’analisi. D'altra parte, l'approccio Wi-Fi non ha avuto lo stesso successo perché i componenti non erano così integrati nel corpo come l'approccio NFC. Questo perché la piattaforma stampata abilitata al Wi-Fi era più grande e aveva requisiti di batteria ingombranti.
C'è stato molto successo nella creazione di sistemi di interfaccia neurale stampabili completi direttamente sul cranio. Le sfide con la piattaforma Wi-Fi aprono la possibilità di ulteriori ricerche nel settore verso la creazione di batterie stampabili più efficienti utilizzando biofluidi come elettrolita. La capacità di creare sia interfacce neurali molli che circuiti conformi su tessuti biologici molli potrebbe anche aiutare a promuovere sia il campo delle neuroscienze che quello della bioelettronica negli anni a venire.
Riferimento:
Parco JU. et al., Integrazione in vivo di sonde neurali molli attraverso la stampa ad alta risoluzione di elettronica liquida sul cranio, Nature Communications, 15, (2024), 1772.