TECNOLOGIA: LA SCIENZA APRE LA STRADA ALLA BIONICA DEL FUTURO

 

Il professor François Ladouceur, della Scuola di ingegneria elettrica e telecomunicazioni dell'UNSW, afferma che il team multidisciplinare ha appena dimostrato in laboratorio ciò che ha dimostrato teoricamente poco prima della pandemia: che i sensori costruiti utilizzando cristalli liquidi e tecnologie ottiche integrate - soprannominate 'optrodi' - può registrare gli impulsi nervosi in un corpo animale vivente.

Non solo questi optrodi funzionano altrettanto bene degli elettrodi convenzionali - che utilizzano l'elettricità per rilevare un impulso nervoso - ma affrontano anche 'questioni molto spinose che le tecnologie concorrenti non possono affrontare', afferma il prof. Ladouceur.

'In primo luogo, è molto difficile ridurre le dimensioni dell'interfaccia utilizzando elettrodi convenzionali in modo che migliaia di essi possano connettersi a migliaia di nervi all'interno di un'area molto piccola.

“Uno dei problemi quando rimpicciolisci migliaia di elettrodi e li metti sempre più vicini per connettersi ai tessuti biologici è che la loro resistenza individuale aumenta, il che degrada il rapporto segnale-rumore, quindi abbiamo problemi a leggere il segnale. Chiamiamo questo 'disadattamento di impedenza'.

'Un altro problema è quello che chiamiamo 'diafonia': quando rimpicciolisci questi elettrodi e li avvicini, iniziano a parlare o si influenzano a vicenda a causa della loro vicinanza'.

'Il vero vantaggio del nostro approccio è che possiamo rendere questa connessione molto densa nel dominio ottico e non paghiamo il prezzo che devi pagare nel dominio elettrico', afferma il prof. Ladouceur.

In una ricerca pubblicata di recente sul Journal of Neural Engineering, il prof. Ladouceur e altri ricercatori dell'UNSW hanno voluto dimostrare che potevano utilizzare gli optrodi per misurare con precisione gli impulsi neurali mentre viaggiano lungo una fibra nervosa in un animale vivente.

Il professor Nigel Lovell, che dirige la Scuola di specializzazione in ingegneria biomedica ed è direttore del Tyree Foundation Institute of Health Engineering, faceva parte del team di ricerca che ha cercato di dimostrarlo in laboratorio.

Dice che il team ha collegato un optrode al nervo sciatico di un animale anestetizzato. Il nervo è stato quindi stimolato con una piccola corrente e i segnali neurali sono stati registrati con l'optrodo. Poi hanno fatto lo stesso usando un elettrodo convenzionale e un bioamplificatore.

'Abbiamo dimostrato che le risposte nervose erano essenzialmente le stesse', afferma il prof. Lovell. 'C'è ancora più rumore in quello ottico, ma non è sorprendente dato che si tratta di una tecnologia nuovissima e su cui possiamo lavorare. Ma alla fine, potremmo identificare le stesse caratteristiche misurando elettricamente o otticamente'.

Nuova alba per le protesi

Finora il team è stato in grado di dimostrare che gli impulsi nervosi, relativamente deboli e misurati in microvolt, possono essere registrati dalla tecnologia optrode. Il prossimo passo sarà aumentare il numero di optrodi per essere in grado di gestire reti complesse di tessuto nervoso ed eccitabile.

Il Prof. Ladouceur dice che all'inizio del progetto, i suoi colleghi si sono chiesti, di quante connessioni neurali ha bisogno un uomo o una donna per azionare una mano con un certo grado di finezza?

'Che puoi raccogliere un oggetto, che puoi giudicare l'attrito, puoi applicare la giusta pressione per tenerlo, puoi spostarti da A a B con precisione, puoi andare veloce e lento - tutte queste cose che indossiamo Non pensare nemmeno a quando eseguiamo queste azioni. La risposta non è così ovvia, abbiamo dovuto cercare un po' nella letteratura, ma crediamo che si tratti di circa 5000-10.000 connessioni'.

In altre parole, tra il tuo cervello e la tua mano c'è un fascio di nervi che scende dalla corteccia e alla fine si divide in quei 5000-10.000 nervi che controllano le delicate operazioni della tua mano.

Se un chip con migliaia di connessioni ottiche potesse connettersi al tuo cervello, o in qualche punto del braccio prima che il fascio nervoso si separi, una mano protesica potrebbe potenzialmente essere in grado di funzionare con le stesse capacità di una mano biologica.

Questo è il sogno, comunque, e il Prof. Ladouceur afferma che ci sono probabilmente decenni di ulteriori ricerche prima che diventi realtà. Ciò includerebbe lo sviluppo della capacità degli optrodi di essere bidirezionali. Non solo riceverebbero e interpreterebbero i segnali dal cervello sulla strada per il corpo, ma potrebbero ricevere feedback sotto forma di impulsi neurali che risalgono al cervello.

Il gioco lungo: interfaccia cervello-macchina

La protesi neurale non è l'unico spazio che la tecnologia optrode ha il potenziale per ridefinire. Gli esseri umani hanno fantasticato a lungo sull'integrazione di tecnologia e macchinari nel corpo umano per ripararlo o migliorarlo.

Alcuni di questi sono ora una realtà, come gli impianti cocleari, i pacemaker e i defibrillatori cardiaci, per non parlare degli orologi intelligenti e di altri dispositivi di tracciamento che forniscono un biofeedback continuo.

Ma uno degli obiettivi più ambiziosi dell'ingegneria biomedica e delle neuroscienze è l'interfaccia cervello-macchina che mira a connettere il cervello non solo al resto del corpo, ma potenzialmente al mondo.

'L'area dell'interfaccia neurale è un campo incredibilmente eccitante e sarà oggetto di un'intensa ricerca e sviluppo nel prossimo decennio', afferma il prof. Lovell.

Sebbene questa sia più finzione che realtà in questo momento, ci sono molte aziende biotecnologiche che lo prendono molto sul serio. L'imprenditore Elon Musk è stato uno dei co-fondatori di Neuralink che mira a creare interfacce cervello-computer con il potenziale per aiutare le persone con paralisi e incorporare l'intelligenza artificiale nelle nostre attività cerebrali.

L'approccio Neuralink utilizza elettrodi a filo convenzionali nei suoi dispositivi, quindi deve superare il disadattamento di impedenza e il crosstalk, tra le molte altre sfide, se vogliono sviluppare dispositivi che ospitino migliaia, se non milioni, di connessioni tra il cervello e il dispositivo impiantato. Recentemente il signor Musk è stato segnalato come frustrato dal ritmo lento nello sviluppo della tecnologia.

Il prof. Ladouceur afferma che il tempo dirà se Neuralink e i suoi concorrenti riusciranno a rimuovere questi ostacoli. Tuttavia, dato che i dispositivi impiantabili in vivo che catturano l'attività neurale sono attualmente vincolati a circa 100 elettrodi, c'è ancora molta strada da fare.

'Non sto dicendo che sia impossibile, ma diventa davvero problematico se dovessi attenersi agli elettrodi standard', afferma il prof. Ladouceur.

“Non abbiamo questi problemi nel dominio ottico. Nei nostri dispositivi, se c'è attività neurale, la sua presenza influenza l'orientamento del cristallo liquido che possiamo rilevare e quantificare illuminandolo. Significa che non estraiamo corrente dai tessuti biologici come fanno gli elettrodi a filo. E quindi il biorilevamento può essere eseguito in modo molto più efficiente'.

Ora che i ricercatori hanno dimostrato che il metodo optrode funziona in vivo, pubblicheranno a breve una ricerca che mostra che la tecnologia optrode è bidirezionale, ovvero che non solo può leggere i segnali neurali, ma può anche scriverli.

- Eyes Bio