SCIENZA: LEGGERE LA MENTE CON GLI ULTRASUONI, UNA TECNICA MENO INVASIVA PER CAPIRE IL CERVELLO

 

Cosa sta succedendo nel tuo cervello mentre scorri questa pagina? In altre parole, quali aree del tuo cervello sono attive, quali neuroni stanno parlando a quali altri e quali segnali stanno inviando ai tuoi muscoli?

Mappare l'attività neurale ai comportamenti corrispondenti è un obiettivo importante per i neuroscienziati che sviluppano interfacce cervello-macchina (BMI): dispositivi che leggono e interpretano l'attività cerebrale e trasmettono istruzioni a un computer o una macchina. Sebbene possa sembrare fantascienza, gli IMC esistenti possono, ad esempio, collegare una persona paralizzata con un braccio robotico; Il dispositivo interpreta l'attività e le intenzioni neurali della persona e muove il braccio robotico di conseguenza.

Una delle principali limitazioni per lo sviluppo dell'IMC è che i dispositivi richiedono un intervento chirurgico invasivo al cervello per leggere l'attività neurale. Ma ora, una collaborazione al Caltech ha sviluppato un nuovo tipo di BMI minimamente invasivo per leggere l'attività cerebrale corrispondente alla pianificazione del movimento. Utilizzando la tecnologia a ultrasuoni funzionali (fUS), può mappare con precisione l'attività cerebrale da regioni precise in profondità all'interno del cervello con una risoluzione di 100 micrometri (la dimensione di un singolo neurone è di circa 10 micrometri).

La nuova tecnologia fUS è un passo importante nella creazione di BMI meno invasivi, ma comunque altamente capaci.

'Le forme invasive di interfacce cervello-macchina possono già restituire movimento a coloro che l'hanno perso a causa di lesioni o malattie neurologiche', afferma Sumner Norman, borsista post-dottorato nel laboratorio Andersen e co-primo autore del nuovo studio. “Sfortunatamente, solo pochi eletti con la paralisi più grave sono idonei e disposti a farsi impiantare elettrodi nel loro cervello. L'ecografia funzionale è un nuovo metodo incredibilmente eccitante per registrare l'attività cerebrale dettagliata senza danneggiare il tessuto cerebrale. Abbiamo spinto i limiti del neuroimaging a ultrasuoni ed eravamo entusiasti che potesse prevedere il movimento. La cosa più eccitante è che il fUS è una tecnica giovane con un enorme potenziale: questo è solo il nostro primo passo per portare un BMI ad alte prestazioni e meno invasivo a più persone '.

Il nuovo studio è una collaborazione tra i laboratori di Richard Andersen, James G. Boswell Professore di Neuroscienze e Leadership Chair e direttore del Tianqiao e Chrissy Chen Brain-Machine Interface Center nel Tianqiao e Chrissy Chen Institute for Neuroscience al Caltech; E di Mikhail Shapiro, professore di ingegneria chimica e ricercatore dell'Heritage Medical Research Institute. Shapiro è un membro di facoltà affiliato all'Istituto Chen.

Un documento che descrive il lavoro appare sulla rivista Neuron.

In generale, tutti gli strumenti per misurare l'attività cerebrale hanno degli svantaggi. Gli elettrodi impiantati (elettrofisiologia) possono misurare in modo molto preciso l'attività a livello dei singoli neuroni, ma, ovviamente, richiedono l'impianto di quegli elettrodi nel cervello. Tecniche non invasive come la risonanza magnetica funzionale (fMRI) possono visualizzare l'intero cervello ma richiedono macchinari ingombranti e costosi. L'elettroencefalografia (EEG) non richiede un intervento chirurgico ma può misurare solo l'attività a bassa risoluzione spaziale.

Gli ultrasuoni funzionano emettendo impulsi di suoni ad alta frequenza e misurando il modo in cui tali vibrazioni sonore echeggiano in una sostanza, come i vari tessuti del corpo umano. Il suono viaggia a velocità diverse attraverso questi tipi di tessuto e si riflette ai confini tra di loro. Questa tecnica è comunemente utilizzata per acquisire immagini di un feto in utero e per altre immagini diagnostiche.

Gli ultrasuoni possono anche 'sentire' il movimento interno degli organi. Ad esempio, i globuli rossi, come un'ambulanza di passaggio, aumenteranno di tono man mano che si avvicinano alla fonte delle onde ultrasoniche e diminuiranno man mano che fluiscono via. La misurazione di questo fenomeno ha permesso ai ricercatori di registrare minuscoli cambiamenti nel flusso sanguigno del cervello fino a 100 micrometri (sulla scala della larghezza di un capello umano).

'Quando una parte del cervello diventa più attiva, c'è un aumento del flusso sanguigno nell'area. Una domanda chiave in questo lavoro era: se abbiamo una tecnica come l'ecografia funzionale che ci fornisce immagini ad alta risoluzione delle dinamiche del flusso sanguigno del cervello nello spazio e nel tempo, ci sono abbastanza informazioni da quell'immagine per decodificare qualcosa di utile sul comportamento? ' Dice Shapiro. 'La risposta è si. Questa tecnica ha prodotto immagini dettagliate delle dinamiche dei segnali neurali nella nostra regione target che non potevano essere viste con altre tecniche non invasive come la fMRI. Abbiamo prodotto un livello di dettaglio che si avvicina all'elettrofisiologia, ma con una procedura molto meno invasiva '.

La collaborazione è iniziata quando Shapiro ha invitato Mickael Tanter, pioniere dell'ecografia funzionale e direttore della Physics for Medicine Paris (ESPCI Paris Sciences et Lettres University, Inserm, CNRS), a tenere un seminario al Caltech nel 2015. Vasileios Christopoulos, un ex laboratorio Andersen Borsista post-dottorato (ora assistente professore alla UC Riverside), ha partecipato al discorso e ha proposto una collaborazione. Shapiro, Andersen e Tanter hanno quindi ricevuto una sovvenzione dell'iniziativa NIH BRAIN per proseguire la ricerca. Il lavoro al Caltech è stato guidato da Norman, ex collega postdottorato al laboratorio Shapiro David Maresca (ora assistente professore presso l'Università di tecnologia di Delft) e Christopoulos. Insieme a Norman, Maresca e Christopoulos sono i primi autori del nuovo studio.

La tecnologia è stata sviluppata con l'aiuto di primati non umani, a cui è stato insegnato a svolgere compiti semplici che comportavano il movimento degli occhi o delle braccia in determinate direzioni quando venivano presentati con determinati indizi. Quando i primati hanno completato i compiti, il fUS ha misurato l'attività cerebrale nella corteccia parietale posteriore (PPC), una regione del cervello coinvolta nella pianificazione del movimento. Il laboratorio Andersen ha studiato il PPC per decenni e ha già creato mappe dell'attività cerebrale nella regione utilizzando l'elettrofisiologia. Per convalidare l'accuratezza della fUS, i ricercatori hanno confrontato l'attività di imaging cerebrale della fUS con i dati elettrofisiologici dettagliati precedentemente ottenuti.

Successivamente, attraverso il supporto del T&C Chen Brain-Machine Interface Center del Caltech, il team mirava a vedere se i cambiamenti dipendenti dall'attività nelle immagini fUS potessero essere utilizzati per decodificare le intenzioni del primate non umano, anche prima che iniziasse. Un movimento. I dati di imaging ecografico e le attività corrispondenti sono stati quindi elaborati da un algoritmo di apprendimento automatico, che ha appreso quali schemi di attività cerebrale erano correlati a quali compiti. Una volta addestrato l'algoritmo, sono stati presentati i dati ecografici raccolti in tempo reale dai primati non umani.

L'algoritmo prevedeva, in pochi secondi, quale comportamento avrebbe eseguito il primate non umano (movimento degli occhi o portata), la direzione del movimento (sinistra o destra) e quando avevano pianificato di effettuare il movimento.

'La prima pietra miliare è stata quella di dimostrare che gli ultrasuoni potevano catturare i segnali cerebrali legati al pensiero di pianificare un movimento fisico', afferma Maresca, che ha esperienza nell'imaging ecografico. “L'ecografia funzionale riesce a registrare questi segnali con una sensibilità 10 volte maggiore e una risoluzione migliore rispetto alla risonanza magnetica funzionale. Questa scoperta è alla base del successo dell'interfacciamento cervello-macchina basata sugli ultrasuoni funzionali '.

“Le attuali interfacce cervello-macchina ad alta risoluzione utilizzano array di elettrodi che richiedono un intervento chirurgico al cervello, che include l'apertura della dura, la forte membrana fibrosa tra il cranio e il cervello e l'impianto degli elettrodi direttamente nel cervello. Ma i segnali ecografici possono passare attraverso la dura e il cervello in modo non invasivo. È necessario impiantare nel cranio solo una piccola finestra trasparente agli ultrasuoni; Questo intervento chirurgico è significativamente meno invasivo di quello richiesto per l'impianto degli elettrodi ', afferma Andersen.

Sebbene questa ricerca sia stata condotta su primati non umani, è in corso una collaborazione con il dottor Charles Liu, un neurochirurgo dell'USC, per studiare la tecnologia con volontari umani che, a causa di lesioni cerebrali traumatiche, hanno avuto un pezzo di cranio Rimosso. Poiché le onde ultrasoniche possono passare inalterate attraverso queste 'finestre acustiche', sarà possibile studiare quanto gli ultrasuoni funzionali possano misurare e decodificare l'attività cerebrale in questi individui.

Scritto da Lori Dajose

Articolo originale: Technology

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