Un piccolo impianto "parla" al cervello con la luce LED / Tiny implant 'speaks' to the brain with LED light

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Un piccolo dispositivo (a sinistra) è progettato per essere impiantato sotto la pelle del cuoio capelluto e diffondere luce LED nel tessuto cerebrale sottostante / A small device (left) is designed to be implanted under the skin of the scalp and deliver LED light into the brain tissue beneath.

Comunicando direttamente con il cervello, un nuovo dispositivo wireless potrebbe un giorno aiutare a recuperare i sensi perduti od a gestire il dolore senza farmaci, affermano i suoi sviluppatori.

Gli esperimenti sui topi dimostrano che una nuova interfaccia cervello-macchina (BMI) utilizza la luce per "parlare" al cervello.

Il dispositivo wireless minimamente invasivo, che viene posizionato sotto il cuoio capelluto, riceve input sotto forma di schemi luminosi, che vengono poi trasmessi ai neuroni geneticamente modificati nel tessuto cerebrale.

Nel nuovo studio, questi neuroni si sono attivati come se rispondessero alle informazioni sensoriali provenienti dagli occhi dei topi. I topi hanno imparato ad abbinare questi diversi schemi di attività cerebrale per svolgere compiti specifici, in particolare per scoprire la posizione di gustosi snack in una serie di esperimenti di laboratorio

Il dispositivo segna un passo avanti verso una nuova generazione di BMI in grado di ricevere input artificiali – in questo caso, luce LED – indipendentemente dai canali sensoriali tipici del cervello, come gli occhi. Ciò aiuterebbe gli scienziati a realizzare dispositivi che interagiscono con il cervello, senza richiedere cavi pendenti o componenti esterni ingombranti.

"La tecnologia è uno strumento molto potente per condurre ricerche fondamentali" e potrebbe affrontare le sfide per la salute umana a lungo termine, ha affermato John Rogers, ricercatore di bioelettronica presso la Northwestern University ed autore principale dello studio, pubblicato l'8 dicembre sulla rivista Nature Neuroscience.

Bypassare il sistema sensoriale

Il dispositivo, più piccolo di un dito indice umano, è morbido e flessibile, quindi si adatta alla curvatura del cranio. Include 64 minuscoli LED, un circuito elettronico che alimenta le luci ed un'antenna ricevente. Inoltre, un'antenna esterna controlla i LED utilizzando la tecnologia NFC (Near Field Communications), campi elettromagnetici per comunicazioni a corto raggio, come avviene per i pagamenti con carta contactless.

Il dispositivo compatto è progettato per essere inserito sotto la pelle, anziché essere impiantato direttamente nel cervello. "Proietta luce direttamente sul cervello [attraverso il cranio] e la risposta del cervello a quella luce è generata da una modifica genetica nei neuroni", ha spiegato Rogers a Live Science.

Normalmente le cellule cerebrali non rispondono alla luce che viene proiettata su di loro, quindi per far sì che ciò accada è necessario l'editing genetico.

"La modifica genetica crea canali ionici sensibili alla luce", ha spiegato Rogers. Quando attivati dalla luce, questi canali permettono alle particelle cariche di fluire nelle cellule cerebrali, innescando un segnale che viene poi inviato ad altre cellule. "Attraverso questo meccanismo, creiamo la sensibilità alla luce direttamente nel tessuto cerebrale stesso", ha affermato. La modifica genetica delle cellule cerebrali è stata effettuata utilizzando un vettore virale, un virus innocuo creato per iniettare la modifica genetica desiderata in cellule specifiche in diverse regioni del cervello.

L'uso della luce per controllare l'attività di cellule geneticamente modificate è chiamato optogenetica ed è una scienza relativamente nuova. In lavori precedenti, i ricercatori hanno utilizzato un approccio simile per attivare un solo gruppo di cellule cerebrali, ma il nuovo dispositivo ha permesso loro di attivare l'attività di molti neuroni in tutto il cervello.

"[La modifica genetica] non stimola solo la parte del cervello che è naturalmente responsabile della percezione visiva, ma l'intera superficie della corteccia", ha affermato Rogers. Pertanto, l'invio di diversi schemi di illuminazione crea una corrispondente distribuzione dell'attività neurale. "È come se potessimo proiettare una serie di immagini – quasi come riprodurre un film – direttamente nel cervello controllando la sequenza degli schemi".

I ricercatori hanno testato l'impianto nei topi istruendolo in modalità wireless a produrre diversi tipi di raffiche di luce. I topi sono stati addestrati a rispondere a ogni impulso con un comportamento specifico, dimostrando che erano in grado di distinguere tra gli impulsi trasmessi. Per ogni tipo di segnale, dovevano recarsi in una cavità specifica in un muro e, per la scelta corretta, ricevevano acqua zuccherata come ricompensa.

Bin He, ricercatore di neuroingegneria presso la Carnegie Mellon University, non coinvolto nello studio, l'ha definita una tecnica innovativa per utilizzare la luce per sintonizzare i circuiti cerebrali. "Potrebbe avere diverse applicazioni nella ricerca neuroscientifica su modelli animali... e non solo", ha affermato.

Ad esempio, i ricercatori intravedono il potenziale di questo dispositivo nelle protesi future. Le applicazioni potrebbero includere l'aggiunta di sensazioni, come il tatto o la pressione, agli arti protesici, o l'invio di segnali visivi od uditivi a protesi visive od uditive.

"Le tecniche optogenetiche stanno appena iniziando ad essere utilizzate sugli esseri umani ", ha affermato Rogers. "Ci sono enormi vantaggi [nell'uso della luce] perché non è necessario alterare i tessuti cerebrali. È possibile utilizzare diverse lunghezze d'onda della luce per controllare diverse regioni del cervello".

Rogers ha affermato che, dal punto di vista tecnologico, la piattaforma potrebbe essere scalabile per coprire aree molto più ampie del cervello e contenere più micro-LED. Tuttavia, i requisiti di alimentazione dovranno essere riconsiderati per supportare un dispositivo più grande. Tecnicamente, dovrebbe funzionare sugli esseri umani come nei topi, ma saranno necessarie ulteriori ricerche prima di effettuare qualsiasi test sugli esseri umani.

"L'ostacolo più grande riguarda l'approvazione normativa per la modifica genetica", ha affermato.

ENGLISH

By directly communicating with the brain, a new wireless device could someday help restore lost senses or manage pain without medications, its developers say.

A new brain-machine interface (BMI) uses light to "speak" to the brain, mouse experiments show.

The minimally invasive wireless device, which is placed under the scalp, receives inputs in the form of light patterns, which are then conveyed to genetically modified neurons in brain tissue.

In the new study, these neurons activated as if they were responding to sensory information from the mice's eyes. The mice learned to match these different patterns of brain activity to perform specific tasks — namely, to uncover the locations of tasty snacks in a series of lab experiments.

The device marks a step toward a new generation of BMIs that will be capable of receiving artificial inputs — in this case, LED light — independent of typical sensory channels the brain relies on, such as the eyes. This would help scientists build devices that interface with the brain, without requiring trailing wires or bulky external parts.

"The technology is a very powerful tool for doing fundamental research," and it could address human health challenges in the longer term, said John Rogers, a bioelectronics researcher at Northwestern University and senior author of the study, which was published Dec. 8 in the journal Nature Neuroscience.

Bypassing the sensory system

The device, which is smaller than a human index finger, is soft and flexible, so it conforms to the curvature of the skull. It includes 64 tiny LEDs, an electronic circuit that powers the lights, and a receiver antenna. Additionally, an external antenna controls the LEDs using near-field-communications (NFC) — electromagnetic fields for short-range communications as is done for contactless card payments.

The compact device is designed to be placed under the skin, rather than being implanted directly into the brain. "It projects light directly onto the brain [through the skull], and the response of the brain to that light is generated by a genetic modification in the neurons," Rogers told Live Science.

Bypassing the sensory system

Brain cells don't normally respond to light that is shone on them, so gene editing is required to make that happen.

"The genetic modification creates light-sensitive ion channels," Rogers explained. When activated by light, these channels allow charged particles to flow into brain cells, tripping a signal that then gets sent to other cells. "Through that mechanism, we create light sensitivity directly in the brain tissue itself," he said. The genetic modification of the brain cells was done using a viral vector, a harmless virus made to deliver the desired genetic tweak into specific cells in different regions of the brain.

The use of light to control the activity of genetically modified cells is called optogenetics, and it's a relatively new science. In past work, the researchers used a similar approach to activate just one group of brain cells, but the new device enabled them to toggle the activity of many neurons across the brain.

"[The genetic modification] is not just stimulating the part of the brain that's naturally responsible for visual perception, but across the entire surface of the cortex," Rogers said. Thus, sending different patterns of illumination creates a corresponding distribution of neural activity. "It's like we can project a series of images — almost like play a movie — directly into the brain by controlling [the] sequence of patterns."

The researchers tested the implant in the mice by wirelessly instructing it to produce various patterned bursts of light. The mice were trained to respond to each pattern with a specific behavior, indicating that they could distinguish between the patterns transmitted. With each type of signal, they had to go to a specific cavity in a wall, and for choosing correctly, they'd get sugar water as a reward.

Bin He, a neuroengineering researcher at Carnegie Mellon University who wasn't involved in the study, called it a novel technique for using light to tune circuits across the brain. "It may have various applications in neuroscience research using animal models … and beyond," he said.

For instance, the researchers see potential for this device in future prosthetics. Applications could include adding sensations, like touch or pressure, to prosthetic limbs, or sending visual or auditory signals to vision or hearing prostheses.

"Optogenetic techniques are just beginning to be used with humans," Rogers said. "There are tremendous advantages [to using light] because you don't need to disrupt the brain tissues. You can use different wavelengths of light to control different regions of the brain."

Rogers said that from a technology standpoint, the platform could scale to cover much larger areas of the brain and contain more micro-LEDs. However, they would have to rethink the power-supply requirements to support a larger device. It should technically work in humans as it does in mice, but further research will be needed before any tests are attempted in humans.

"The biggest hurdle is around the regulatory approval for the genetic modification," he said.

Da:

https://www.livescience.com/health/neuroscience/tiny-device-placed-under-the-scalp-uses-light-to-speak-to-the-brain?utm_term=0D44E3E5-72C8-4F2E-A2B4-93C82DC78FB4&lrh=e4e2966485d78112a6060535462dd7377ffa0f1e6368288dc8552dcea7aac778&utm_campaign=368B3745-DDE0-4A69-A2E8-62503D85375D&utm_medium=email&utm_content=4D64A6A8-2B5F-43A3-9D7F-A6D74A611954&utm_source=SmartBrief

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