Immagina di avere un elettrodo incorporato nel cervello in una procedura chirurgica per la stimolazione cerebrale profonda, che prevede la perforazione del cranio per impiantarlo. Ora immagina di passare attraverso una risonanza magnetica per la valutazione medica, quando l’elettrodo metallico può reagire ai campi magnetici e vibrare, generare calore o addirittura danneggiare il cervello.
Questa è una realtà che i pazienti che hanno bisogno di una stimolazione cerebrale profonda potrebbero dover affrontare.
Ora, uno studio pubblicato il 18 novembre su Nature Microsystems & Nanoengineering, descrive un promettente miglioramento della procedura attraverso una strategia sviluppata dagli ingegneri della San Diego State University, in collaborazione con i ricercatori del KIT, Germania. Il team di ricerca SDSU ha creato un elettrodo di carbonio vetroso, un carbone non grafitico che combina le proprietà del vetro e della ceramica con quelle della grafite, in alternativa alla versione in metallo e nuovi risultati mostrano che non reagisce alle scansioni MRI, rendendolo più sicuro.
Sviluppata per la prima volta nel 2017 nel laboratorio MEMS del ricercatore Sam Kassegne presso la SDSU, la versione in carbonio è progettata per durare più a lungo nel cervello senza essere corrosa o deteriorata e per emettere e ricevere segnali più forti. Nel 2018, i ricercatori hanno dimostrato che mentre l’elettrodo metallico si degrada dopo 100 milioni di cicli di impulsi elettrici applicati ad esso, il materiale di carbonio vetroso è sopravvissuto a 3,5 miliardi di cicli.
La stimolazione cerebrale profonda – in cui gli elettrodi impiantati nel cervello producono impulsi elettrici che controllano i movimenti anormali – viene sempre più utilizzata per coloro che hanno disturbi del movimento e che non rispondono ai farmaci, come i pazienti con malattia di Parkinson, pazienti con tremori e contrazioni muscolari incontrollate conosciute come distonia.
La procedura viene anche presa in considerazione per lesioni cerebrali traumatiche, dipendenza, demenza, depressione e altre condizioni, quindi le potenziali applicazioni sono vaste.
Fino ad ora, gli elettrodi sono stati realizzati in platino a film sottile o ossido di iridio. Ma tali elettrodi a base di metallo possono produrre calore, interferire con le immagini della risonanza magnetica creando punti luminosi che bloccano le viste dell’area reale del cervello in studio e possono diventare magnetizzati e muoversi o vibrare quando i pazienti subiscono scansioni, causando disagio.
Il carbonio si rivela più sicuro
“I nostri test di laboratorio dimostrano che, a differenza dell’elettrodo metallico, l’elettrodo di carbonio vetroso non viene magnetizzato dalla risonanza magnetica, quindi non irrita il cervello del paziente”, spiega
Surabhi Nimbalkar, primo autore dello studio. “Inoltre, è in grado di leggere sia segnali chimici che elettrici dal cervello, mentre gli elettrodi a base metallica possono leggere solo segnali elettrici. Inoltre, il materiale di carbonio è multimodale e compatibile con la risonanza magnetica”.
“Gli elettrodi per la stimolazione cerebrale dovrebbero durare tutta la vita, ma il problema è che gli elettrodi metallici si degradano”, ha dichiarato Kassegne, autore senior e Professore di ingegneria meccanica presso la SDSU. ” Coerentemente con le nostre esigenze, il materiale a film sottile di carbonio è omogeneo – è un materiale continuo – con pochissime superfici difettose. Il platino invece, ha grani di metallo che diventano i punti deboli vulnerabili alla corrosione”.
I collaboratori del KIT hanno sviluppato un nuovo strumento che consente misurazioni precise delle vibrazioni durante la risonanza magnetica. Lavorando con il team SDSU, sono stati in grado di testare i nuovi elettrodi di carbonio direttamente nello scanner MRI e confermare che erano un’alternativa più sicura e migliore.
Vedi anche, Stimolazione cerebrale profonda: trattamento efficace per depressione grave.
“Ero entusiasta di vedere che il nostro strumento di misurazione delle vibrazioni consente questo benchmarking completamente nuovo di elettrodi reali, che facilita l’analisi del rischio“, ha affermato Erwin Fuhrer, primo autore congiunto dell’ articolo che ha recentemente completato il suo dottorato di ricerca presso il KIT.
Fuhrer si è concentrato sullo sviluppo dell’hardware e sulle applicazioni per i test di sicurezza MRI. Questa collaborazione ha consentito per la prima volta test approfonditi sugli elettrodi per diverse interazioni.
“I nostri risultati della simulazione sono stati alla base dei nostri risultati sperimentali e hanno supportato ulteriori approfondimenti sui processi coinvolti”, ha dichiarato il coautore Pedro Silva, un dottorando presso il laboratorio di Korvink.
Collaborazioni interdisciplinari
Kassegne, che detiene un brevetto per il processo di fabbricazione degli elettrodi, ha lavorato sul carbonio a film sottile nel suo laboratorio per più di 10 anni, ma è stato coinvolto nella personalizzazione per applicazioni neurologiche quando i collaboratori dell’Università di Washington e del Massachusetts Institute of Technology si sono rivolti a lui per la sua esperienza nelle tecnologie di micro e nano-fabbricazione.
Insieme, le tre istituzioni fanno parte del Center for Neurotechnology, finanziato dalla National Science Foundation, che sta studiando nuovi modi per aiutare il cervello e il midollo spinale a guarire da un infortunio.
Il gruppo del KIT, guidato da Jan Korvink, lavora sulle tecnologie MRI per il cervello, in particolare sulla microscopia MRI, un prerequisito importante per analizzare il comportamento di questi piccoli elettrodi con dettagli ad alta risoluzione. Kassegne e Korvink si sono incontrati in una conferenza e hanno deciso di lavorare insieme al progetto.
“Inventare modi per una risonanza magnetica più dettagli del cervello è la nostra missione chiave”, ha affermato Korvink, autore senior congiunto del documento.
Nimbalkar, un dottorando nel laboratorio di Kassegne che ha due brevetti in corso, si concentra sulla progettazione e la fabbricazione di elettrodi compatibili con il processo di risonanza magnetica. Ha lavorato con Marty Sereno, Direttore del Centro di risonanza magnetica della SDSU, per testare il materiale in carbonio.
“Abbiamo scansionato gli elettrodi utilizzando diverse tecniche di sequenza di imaging e abbiamo scoperto che il carbonio vetroso provoca una distorsione minore dell’immagine”, ha detto Sereno. “Il metallo disturba il campo magnetico e causa distorsione, ma la fibra di carbonio ha meno correnti indotte nel campo magnetico, quindi non eserciterà alcuna forza sull’elettrodo stesso, il che è un vantaggio perché è incorporato nei tessuti molli del cervello”.
Una volta completati i test di laboratorio, i collaboratori di Kassegne sul lato clinico testeranno l’elettrodo di carbonio nei pazienti, mentre Nimbalkar e Kassegne lavoreranno per testare diverse forme di carbonio da utilizzare nei futuri elettrodi.
