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26.09.2019 - 06:000

Un viaggio alla scoperta dell’universo delle interfacce neurali

Alcuni impianti cerebrali adoperano l’elettricità, altri la luce, altri ancora la chimica. Quali sono gli sviluppi e le prospettive in questo campo scientifico?

Fare zapping con i neuroni tramite l’elettricità per recepire artificialmente ricordi, sensazioni e movimenti sembra un’azione ancora molto lontana dalla realtà. Tuttavia, in molti laboratori in cui si studia il cervello, questa tecnologia sta iniziando a farsi strada. Ecco, di seguito, un viaggio alla scoperta dell’universo delle interfacce neurali.

A ben vedere, gli elettrodi sono di gran lunga la tecnologia di interfacciamento del cervello più matura. Dopotutto, i nostri neuroni chiacchierano per lo più usando “picchi” elettrici (con l'aiuto di alcuni prodotti chimici), che gli scienziati sono stati in grado approssimativamente di misurare e decifrare per decenni. In questo modo, un elettrodo impiantato può “ascoltare” e registrare le chiacchiere neurali, e un software sempre più potente può aiutare a decodificare il suo segnale.

Una volta conosciuto il codice, restituendolo al cervello con scariche elettriche dovrebbe teoricamente riprodurre quei dati nella nostra rete biologica. Quando il nostro codice interno si rompe, come ad esempio nell'Alzheimer, nella depressione grave o nell'epilessia, o viene reciso come nei casi di paralisi, l'input esterno potrebbe riuscire a riparare i canali dell'informazione del sistema nervoso e ripristinare la funzione.

Il problema, come sostengono i professori del MIT James Frank, Marc-Joseph Antonini e Polina Anikeeva, è che alla fine bisogna superare i classici elettrodi impiantabili perché non sono abbastanza specifici. Per uno, non prendono di mira i tipi e i gruppi di neuroni necessari per riprodurre un pensiero o un'azione, producendo effetti collaterali indesiderati e imprevedibili. Per un altro, non rispecchiano esattamente il funzionamento del cervello poiché i modelli di attività in esso si verificano a più risoluzioni (singoli neuroni, reti neurali, onde cerebrali) e con tempi diversi.

Il futuro di un dispositivo cerebrale di successo, secondo gli autori, è quello di una sonda che può integrare più livelli di attività cerebrale. Il modo più semplice sarebbe quello di inserire più funzioni (elettriche, chimiche, magnetismo) in una singola sonda. Il sistema MiNDS (Miniaturized Neural Drug Delivery System), ad esempio, può registrare e stimolare chimicamente regioni cerebrali profonde in primati non umani. Pensando ad impianti a lungo termine, questi devono anche essere morbidi e biocompatibili con il cervello al fine di ridurre le lesioni.

Inoltre, per collegare veramente i cervelli ai computer, c’è bisogno che questi impianti siano dispositivi “intelligenti” a circuito chiuso. Anziché fare zapping con i neuroni in base a un protocollo pre-programmato, questi impianti intelligenti devono misurare l'attività cerebrale e imparare a interferire solo quando rilevano anomalie. In questo modo, gli impianti hanno meno probabilità di manomettere la normale funzione cerebrale, ovvero non danneggiare il senso di sé e il controllo di una persona.

L’optogenetica ha rivoluzionato le neuroscienze. Qui, il segreto è inserire geneticamente le proteine ​​sensibili alla luce, chiamate opsine, nei neuroni. Quando sono attivate con la luce (comunemente l’azzurro), le proteine ​​formano un tunnel che consente agli ioni di entrare. È più o meno in questo modo che i nostri neuroni si attivano naturalmente, quindi la luce può agire come un innesco artificiale per l'attivazione o l'inibizione di specifici neuroni. Grazie alla luce, infatti, gli scienziati hanno “scritto” ricordi artificiali nei topi o hanno cancellato del tutto quelli indesiderati.

Poiché lo strumento richiede l’utilizzo dell’ingegneria genetica, finora la principale spinta all’uso clinico è nella cecità, dato che gli occhi sono facilmente accessibili e trattano naturalmente la luce. Studi preliminari hanno già scoperto che la luce naturale, attraverso le proteine ​​optogenetiche all'interno della retina, può aiutare i topi ciechi a “vedere” e a reagire alle immagini similmente ai topi normali, sebbene le proteine ​​siano meno sensibili dei sensori biologici nei nostri occhi.

Detto ciò, gli scienziati hanno lavorato duramente per portare questa raffinata tecnica al cervello umano. Uno studio di quest’anno ha sviluppato un impianto ottico miniaturizzato wireless che può essere inserito sotto il cuoio capelluto. Invece delle batterie, il dispositivo è stato alimentato utilizzando campi magnetici oscillanti esterni. Il team, quindi, potrebbe controllare digitalmente l'intensità e la frequenza della luce e mettere a punto l'attivazione neurale.

Un altro studio ha trasformato l'optogenetica esistente in lunghezze d'onda vicino all’infrarosso (NIR). Rispetto alla luce blu, la NIR penetra facilmente nel nostro cranio e nei tessuti cerebrali senza dispersione, riuscendo a raggiungere le regioni più profonde del cervello per la modulazione. Un team dell’Università della California di Berkeley ha progettato delle nanoparticelle dentro delle “lampadine” che convertono la luce NIR nella tradizionale luce blu-verde optogenetica all'interno del cervello. In questo modo, il team è stato in grado di attivare i neuroni nel profondo del cervello dei topi facendo splendere la luce NIR dall'esterno del cranio, colpendo i neuroni correlati alla depressione così che rilasciassero dopamina.

Il problema ancora irrisolto è costituito dall’ingegneria genetica poiché, nonostante i progressi fatti in questo campo, a molti non sembra allettante attaccare i virus portatori di geni nel cervello.

Uno studio spera di convertire localmente la luce in calore, che quindi dovrebbe stimolare i neuroni naturali senza bisogno di un gene aggiuntivo (o due). Un'altra idea è quella di prendere di mira il sistema nervoso periferico più semplice, realizzando un impianto wireless optogenetico che poggi sul midollo spinale per ridurre il dolore cronico. Esiste già un prototipo per i roditori, sebbene il team stia ancora lavorando su impianti per l’utilizzo su esseri umani.

Per quanto riguarda l’uso di prodotti chimici per il controllo del cervello, questi sono impiegati principalmente in due modi: il primo, come farmaci sintetici per attivare specificamente determinati neuroni; il secondo, come una combinazione con l’optogenetica per controllare i circuiti neurali.

Il primo uso funziona un po’ come l’optogenetica. In questo caso, invece di attaccare le proteine ​​sensibili alla luce nei neuroni, gli scienziati attaccano le proteine ​​specifiche che si attivano in un canale solo quando un farmaco sintetico corrispondente si riversa su di esse. La tecnologia chiamata DREADD (Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs) consente agli scienziati di “multiplare” il loro controllo sulle reti neurali. Sfortunatamente, i DREADD richiedono anche neuroni geneticamente modificati, e finora nessuno ha mai provato a portare questa tecnologia nelle cliniche. Tuttavia, se si riuscisse a superare questo ostacolo, in teoria si potrebbe essere in grado di ottenere il controllo su misura di specifici circuiti neurali attraverso una o due pillole.

Il secondo caso è forse più stimolante. Uno studio di questo mese, infatti, ha combinato i farmaci con l'optogenetica in una sonda “optofluidica” ricaricabile. L’impianto morbido è costituito da una testina di farmaco a forma di spina che può essere ricaricata per la stimolazione chimica cronica: la dopamina è una delle preferite poiché è coinvolta nella depressione, nel Parkinson e nei movimenti, e la stimolazione della luce sulla parte superiore aiuta a ridurre i danni ai tessuti neurali. L’impianto può essere controllato in modalità wireless con uno smartphone, è minimamente invasivo e assorbe pochissima energia. Per il momento la sonda viene utilizzata negli animali per prendere in giro le funzioni della rete neurale, ma il team di ricercatori è interessato a spostarlo verso la chimica.

Per quel che concerne l’utilizzo dell’elettricità, forse si è sentito parlare del “Walk Again Project”, che utilizza protesi cerebrali come lo Utah Array per aiutare le persone paralizzate a riguadagnare il movimento dei loro arti. Questi microelettrodi adoperano tecniche di microfabbricazione per realizzare minuscoli elettrodi a base di silicio e hanno ispirato sonde di nuova generazione come il Neuropixel, che racchiude quasi 1.000 siti di registrazione lungo il suo condotto da 10 mm, cioè delle dimensioni di cinque monetine accatastate.

Gli scienziati hanno iniziato a esplorare elettrodi morbidi e biocompatibili per aumentare la durata dell'impianto. Gli elettrodi duri, infatti, per le loro proprietà meccaniche non si adattano bene al cervello, poiché innescano un'intensa reazione cicatrizzante attorno all'impianto, che alla fine lo rende inutile. Neuralink, ad esempio, utilizza elettrodi morbidi e sottili simili a meduse che catturano l'attività elettrica da gruppi di neuroni molto più piccoli, e in teoria dovrebbero ridurre la risposta di rigetto del cervello. Un’altra idea, Neural Lace, adotta una struttura a sandwich che gli consente di adattarsi in modo flessibile al suo ospite e integrarsi con i tessuti cerebrali.

Un altro esempio è Neurogrid, che utilizza materiale biocompatibile sulla punta dell'elettrodo per ridurre i disturbi. Uno studio recente ha scoperto che questo tipo di materiale consente agli ioni che trasportano il segnale di trasmetterlo più facilmente tra il cervello e gli elettrodi. Poiché l'afflusso di ioni è ciò che fa “accendere” i neuroni, significa che questo materiale è più adatto per l'interfaccia con il nostro cervello rispetto agli elettrodi standard di silicio.

Per gli autori, dunque, il futuro è almeno bimodale. Il trasferimento di questi impianti elettrici di nuova generazione nelle cliniche fornirà alternative più precise di quelle attualmente disponibili.

Ma se si riuscirà ad abbinarli ad algoritmi intelligenti che consentono la stimolazione a circuito chiuso, alla portata della chimica e alla precisione dell'optogenetica, si potrà finalmente essere in grado di “suonare” il nostro cervello come strumenti musicali.

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