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Verso sistemi di interfaccia cervello-computer di nuova generazione

Le interfacce cervello-computer (BCI) sono dispositivi di assistenza emergenti che un giorno potrebbero aiutare le persone con lesioni cerebrali o spinali a muoversi o comunicare. I sistemi BCI dipendono da sensori impiantabili che registrano segnali elettrici nel cervello e li utilizzano per guidare dispositivi esterni come computer o protesi robotiche.

La maggior parte degli attuali sistemi BCI utilizza uno o due sensori per campionare fino a poche centinaia di neuroni, ma i neuroscienziati sono interessati a sistemi in grado di raccogliere dati da gruppi molto più grandi di cellule cerebrali.

Ora, un team di ricercatori ha compiuto un passo fondamentale verso un nuovo concetto per un futuro sistema BCI, uno che impiega una rete coordinata di sensori neurali su microscala wireless indipendenti, ciascuno delle dimensioni di un granello di sale, per registrare e stimolare attività cerebrale. I sensori, soprannominati “neurograni”, registrano in modo indipendente gli impulsi elettrici prodotti dai neuroni e inviano i segnali in modalità wireless a un hub centrale, che coordina ed elabora i segnali.

In uno studio pubblicato il 12 agosto su Nature Electronics , il team di ricerca ha dimostrato l’uso di quasi 50 neurograni autonomi per registrare l’attività neurale in un roditore.

I risultati, affermano i ricercatori, sono un passo verso un sistema che un giorno potrebbe consentire la registrazione dei segnali cerebrali con dettagli senza precedenti, portando a nuove intuizioni su come funziona il cervello e a nuove terapie per le persone con lesioni cerebrali o spinali.

“Una delle grandi sfide nel campo delle interfacce cervello-computer è l’ingegneria dei modi per sondare il maggior numero possibile di punti nel cervello”, ha affermato Arto Nurmikko, professore alla Brown’s School of Engineering e autore senior dello studio. “Finora, la maggior parte dei BCI sono stati dispositivi monolitici, un po’ come piccoli letti di aghi. L’idea del nostro team era di spezzare quel monolite in minuscoli sensori che potevano essere distribuiti attraverso la corteccia cerebrale. Questo è quello che siamo stati in grado di fare. dimostrare qui”.

Il team, che comprende esperti di Brown, Baylor University, University of California a San Diego e Qualcomm, ha iniziato il lavoro di sviluppo del sistema circa quattro anni fa. La sfida era duplice, ha detto Nurmikko, affiliato al Carney Institute for Brain Science di Brown. La prima parte ha richiesto la riduzione della complessa elettronica coinvolta nel rilevamento, nell’amplificazione e nella trasmissione dei segnali neurali nei minuscoli chip di neurograni di silicio. Il team ha prima progettato e simulato l’elettronica su un computer e ha attraversato diverse iterazioni di fabbricazione per sviluppare chip operativi.

La seconda sfida è stata lo sviluppo dell’hub di comunicazione esterno al corpo che riceve segnali da quei minuscoli chip. Il dispositivo è una toppa sottile, delle dimensioni di un’impronta di pollice, che si attacca al cuoio capelluto all’esterno del cranio. Funziona come una torre di telefoni cellulari in miniatura, utilizzando un protocollo di rete per coordinare i segnali dai neurograni, ognuno dei quali ha il proprio indirizzo di rete. Il cerotto fornisce anche energia in modalità wireless ai neurograni, progettati per funzionare utilizzando una quantità minima di elettricità.

“Questo lavoro è stato una vera sfida multidisciplinare”, ha affermato Jihun Lee, ricercatore post-dottorato alla Brown e autore principale dello studio. “Abbiamo dovuto riunire competenze in elettromagnetismo, comunicazione a radiofrequenza, progettazione di circuiti, fabbricazione e neuroscienze per progettare e far funzionare il sistema dei neurograni”.

L’obiettivo di questo nuovo studio era dimostrare che il sistema poteva registrare segnali neurali da un cervello vivente, in questo caso il cervello di un roditore. Il team ha posizionato 48 neurograni sulla corteccia cerebrale dell’animale, lo strato esterno del cervello, e ha registrato con successo i segnali neurali caratteristici associati all’attività cerebrale spontanea.

Il team ha anche testato la capacità dei dispositivi di stimolare il cervello e di registrare da esso. La stimolazione viene eseguita con minuscoli impulsi elettrici che possono attivare l’attività neurale. La stimolazione è guidata dallo stesso hub che coordina la registrazione neurale e potrebbe un giorno ripristinare la funzione cerebrale persa a causa di malattie o lesioni, sperano i ricercatori.

Le dimensioni del cervello dell’animale hanno limitato il team a 48 neurograni per questo studio, ma i dati suggeriscono che l’attuale configurazione del sistema potrebbe supportarne fino a 770. In definitiva, il team prevede di scalare fino a molte migliaia di neurograni, il che fornirebbe un quadro attualmente irraggiungibile dell’attività cerebrale.

“È stato uno sforzo impegnativo, poiché il sistema richiede il trasferimento di potenza wireless simultaneo e la rete alla velocità di mega bit al secondo, e questo deve essere realizzato in un’area di silicio estremamente ristretta e con vincoli di alimentazione”, ha affermato Vincent Leung, un associato professore nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della Baylor. “Il nostro team ha spinto la busta per gli impianti neurali distribuiti”.

C’è ancora molto lavoro da fare per rendere questo sistema completo una realtà, ma i ricercatori hanno affermato che questo studio rappresenta un passo fondamentale in quella direzione.

“La nostra speranza è che alla fine possiamo sviluppare un sistema che fornisca nuove conoscenze scientifiche sul cervello e nuove terapie che possano aiutare le persone colpite da lesioni devastanti”, ha affermato Nurmikko.

Altri coautori della ricerca sono stati Ah-Hyoung Lee (Brown), Jiannan Huang (UCSD), Peter Asbeck (UCSD), Patrick P. Mercier (UCSD), Stephen Shellhammer (Qualcomm), Lawrence Larson (Brown) e Farah Laiwalla (Marrone). La ricerca è stata supportata dalla Defense Advanced Research Projects Agency (N66001-17-C-4013).


Materiali forniti dalla Brown University . Nota: il contenuto può essere modificato per stile e lunghezza.


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Riferimento della rivista :

  1. Jihun Lee, Vincent Leung, Ah-Hyoung Lee, Jiannan Huang, Peter Asbeck, Patrick P. Mercier, Stephen Shellhammer, Lawrence Larson, Farah Laiwalla, Arto Nurmikko. Registrazione neurale e stimolazione mediante reti wireless di microimpianti . Elettronica della natura , 2021; DOI: 10.1038/s41928-021-00631-8

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