La stimolazione neuronale è una tecnologia in via di sviluppo che ha effetti terapeutici benefici nei disturbi neurologici, come il morbo di Parkinson.
Anche se sono stati fatti molti progressi, i dispositivi impiantati si deteriorano nel tempo e causano cicatrici nel tessuto neurale. In un articolo pubblicato di recente, Takashi DY Kozai dell’Università di Pittsburgh ha descritto un metodo di stimolazione meno invasivo che utilizza un elettrodo ultrasmall attivato dalla luce, una tecnica che può mitigare il danno causato dai metodi attuali.
“Tipicamente con la stimolazione neurale, al fine di mantenere la connessione tra la mente e la macchina, c’è un cavo transcutaneo che va dall’elettrodo impiantato all’interno del cervello a un controller esterno al corpo”, ha detto Kozai, un assistente Professore di bioingegneria alla Pitt’s Swanson School of Engineering.
“Il movimento del cervello o di questo cavo porta a infiammazione, cicatrici e altri effetti collaterali negativi. Speriamo di ridurre parte del danno sostituendo questo cavo di grandi dimensioni con una luce a lunghezza d’onda lunga e un elettrodo ultrasmall, senza legami”.
Kaylene Stocking, uno studente senior di bioingegneria e ingegneria informatica, è il primo autore dell’articolo “Intracortical neural stimulation with untethered, ultrasmall carbon fiber electrodes mediated by the photoelectric effect” (DOI: 10.1109/TBME.2018.2889832).
Kaylene Stocking collabora con il gruppo di Kozai, il Bionic Lab, per studiare come migliorare la longevità della tecnologia degli impianti neurali. Questo lavoro è stato svolto in collaborazione con Alberto Vasquez, ricercatore associato di radiologia e bioingegneria presso Pitt.Kaylene Stocking.
L’effetto fotoelettrico si ha quando una particella di luce, o un fotone, colpisce un oggetto e provoca una variazione locale nel potenziale elettrico. Il gruppo di Kozai ha scoperto i suoi vantaggi durante l’esecuzione di altre ricerche di imaging. Basandosi sulla pubblicazione di Einstein del 1905 su questo effetto, i ricercatori si aspettavano di vedere le fotocorrenti elettriche solo a lunghezze d’onda ultraviolette (fotoni ad alta energia), ma sperimentarono qualcosa di diverso.
“Quando l’effetto fotoelettrico ha contaminato la nostra registrazione elettrofisiologica durante l’imaging con un laser a infrarossi vicini (fotoni a bassa energia), siamo rimasti un po’ sorpresi”, ha spiegato Kozai. “Si è scoperto che l’equazione originale doveva essere modificata per spiegare questo risultato: abbiamo provato numerose strategie per eliminare questo artefatto fotoelettrico, ma non ci siamo riusciti e quindi abbiamo trasformato questa caratteristica“.
“Il nostro gruppo ha deciso di utilizzare questa caratteristica dell’effetto fotoelettrico a nostro vantaggio nella stimolazione neuronale”, ha affermato Stocking. “Abbiamo usato il cambiamento del potenziale elettrico con un laser vicino all’infrarosso per attivare un elettrodo senza legami nel cervello“.
Il laboratorio ha creato un impianto in fibra di carbonio del diametro di 7-8 micron, o grosso modo delle dimensioni di un neurone (17-27 micron) e Stocking ha sperimentato il metodo su un cervello fantasma usando un microscopio a due fotoni. Ha misurato le proprietà e analizzato gli effetti per vedere se il potenziale elettrico dall’effetto fotoelettrico stimolava le cellule in modo simile alla stimolazione neurale tradizionale.
“Abbiamo scoperto che la fotostimolazione è efficace“, ha detto Stocking. “Gli aumenti di temperatura non erano significativi, il che riduce la possibilità di danni da calore e le cellule attivate erano più vicine all’elettrodo che nella stimolazione elettrica in condizioni simili, il che indica una maggiore precisione spaziale”.
“Quello che non ci aspettavamo di vedere era che questo metodo di stimolazione fotoelettrica ci permettesse di stimolare una popolazione di neuroni diversa e più discreta rispetto a quella che potrebbe essere ottenuta con la stimolazione elettrica“. ha detto Kozai, “Questo offre ai ricercatori un altro strumento per esplorare i circuiti neurali nel sistema nervoso”.
“Abbiamo avuto numerosi critici che non avevano fiducia nelle modifiche matematiche apportate all’equazione fotoelettrica originale di Einstein, ma abbiamo creduto nell’approccio e abbiamo persino depositato una domanda di brevetto“, (brevetto in corso di registrazione: US20170326381A1), ha affermato Kozai. “Questo è un testamento del duro lavoro e della diligenza di Kaylene per prendere una teoria e trasformarla in una convalida ben controllata della tecnologia”.
Il gruppo di Kozai sta attualmente esaminando ulteriormente altre opportunità per far progredire questa tecnologia, compreso il raggiungimento di una maggiore disponibilità di farmaci e di tessuti wireless.
