L'elettrodo senza fili fa luce sugli usi terapeutici della stimolazione neurale. / Untethered electrode sheds light on therapeutic uses of neural stimulation

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

Un laser che illumina un elettrodo in fibra di carbonio ultra-piccolo e non vincolato per stimolare i neuroni tramite l'effetto fotoelettrico  /  A laser shining onto an untethered, ultrasmall carbon fiber electrode to stimulate neurons via the photoelectric effect 

I ricercatori dell'Università di Pittsburgh hanno sviluppato un metodo di stimolazione neurale che utilizza un elettrodo non vincolato attivato dalla luce, un progresso che potrebbe ridurre i danni causati dai dispositivi impiantati.

La stimolazione neurale può avere effetti terapeutici in disturbi neurologici come il morbo di Parkinson, ma i dispositivi impiantati si deteriorano nel tempo e possono causare cicatrici nel tessuto nervoso.

"In genere, nella stimolazione neurale, per mantenere la connessione tra mente e macchina, un cavo transcutaneo collega l'elettrodo impiantato nel cervello ad un controller esterno al corpo", ha spiegato Takashi Kozai, professore associato di bioingegneria presso la Swanson School of Engineering dell'università. "Il movimento del cervello o di questo cavo provoca infiammazione, cicatrici ed altri effetti collaterali negativi. Speriamo di ridurre alcuni di questi danni sostituendo questo grosso cavo con luce a lunga lunghezza d'onda ed un elettrodo ultra-piccolo e senza fili."

L'effetto fotoelettrico si verifica quando un fotone colpisce un oggetto e provoca una variazione locale del potenziale elettrico. Basandosi sulla pubblicazione di Einstein del 1905 su questo effetto, il gruppo di Kozai, il Bionic Lab, si aspettava di osservare fotocorrenti elettriche a lunghezze d'onda ultraviolette ad alta energia.

"Quando l'effetto fotoelettrico ha contaminato la nostra registrazione elettrofisiologica durante l'imaging con un laser nel vicino infrarosso [fotoni a bassa energia], siamo rimasti un po' sorpresi", ha affermato 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 senza successo, quindi abbiamo trasformato il 'difetto' in una 'caratteristica'".

"Il nostro gruppo ha deciso di sfruttare questa caratteristica dell'effetto fotoelettrico a proprio vantaggio nella stimolazione neurale", ha affermato Kaylene Stocking, studentessa senior di bioingegneria ed ingegneria informatica. "Abbiamo utilizzato la variazione del potenziale elettrico con un laser nel vicino infrarosso per attivare un elettrodo non vincolato impiantato nel cervello."

Il laboratorio ha creato un impianto in fibra di carbonio di 7-8 micron di diametro, ovvero all'incirca le dimensioni di un neurone. Stocking, prima autrice dell'articolo che descrive la ricerca, ha simulato il loro metodo su un cervello fantasma utilizzando un microscopio a due fotoni. Ha misurato le proprietà ed analizzato gli effetti per verificare se il potenziale elettrico derivante dall'effetto fotoelettrico stimolasse le cellule in modo simile alla stimolazione neurale tradizionale.

"Abbiamo scoperto che la fotostimolazione è efficace", ha affermato Stocking. "Gli aumenti di temperatura non sono stati significativi, il che riduce il rischio di danni termici, e le cellule attivate erano più vicine all'elettrodo rispetto alla stimolazione elettrica in condizioni simili, il che indica una maggiore precisione spaziale."

"Quello che non ci aspettavamo di vedere è che questo metodo di stimolazione fotoelettrica ci permette di stimolare una popolazione di neuroni diversa e più specifica rispetto a quanto si potrebbe fare con la stimolazione elettrica", ha affermato Kozai, "Questo offre ai ricercatori un ulteriore 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 noi abbiamo creduto nell'approccio e abbiamo persino depositato una domanda di brevetto ", ha affermato Kozai. "Questo testimonia il duro lavoro e la diligenza di Kaylene, che è riuscita a trasformare una teoria in una validazione rigorosa della tecnologia."

Il gruppo di Kozai sta attualmente esaminando ulteriori opportunità per far progredire questa tecnologia, tra cui il raggiungimento di tessuti più profondi e la somministrazione di farmaci senza fili.

La ricerca del gruppo è descritta in dettaglio in un articolo intitolato: Stimolazione neurale intracorticale con elettrodi in fibra di carbonio ultra-piccoli e non vincolati, mediata dall'effetto fotoelettrico. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con Alberto Vasquez, professore associato di radiologia e bioingegneria presso l'Università di Pittsburgh.

ENGLISH

Researchers at the University of Pittsburgh have developed a method of neural stimulation that uses an untethered electrode activated by light, an advance that could mitigate damage done by implanted devices.

Neural stimulation can provide therapeutic effects in neurological disorders like Parkinson's disease, but implanted devices deteriorate over time and can cause scarring in neural tissue.

"Typically with neural stimulation, in order to maintain the connection between mind and machine, there is a transcutaneous cable from the implanted electrode inside of the brain to a controller outside of the body," said Takashi Kozai, an assistant professor of bioengineering at the university’s Swanson School of Engineering. "Movement of the brain or this tether leads to inflammation, scarring, and other negative side effects. We hope to reduce some of the damage by replacing this large cable with long wavelength light and an ultra small, untethered electrode."

The photoelectric effect occurs when a photon hits an object and causes a local change in the electrical potential. Based on Einstein's 1905 publication on this effect, Kozai's group - the Bionic Lab - expected to see electrical photocurrents at high-energy ultraviolet wavelengths.

"When the photoelectric effect contaminated our electrophysiological recording while imaging with a near-infrared laser [low energy photons], we were a little surprised," said Kozai. "It turned out that the original equation had to be modified in order to explain this outcome. We tried numerous strategies to eliminate this photoelectric artefact but were unsuccessful in each attempt, so we turned the 'bug' into a 'feature.'"

"Our group decided to use this feature of the photoelectric effect to our advantage in neural stimulation," said Kaylene Stocking, a senior bioengineering and computer engineering student. "We used the change in electrical potential with a near-infrared laser to activate an untethered electrode in the brain."

The lab created a carbon fibre implant 7-8 microns in diameter, or roughly the size of a neuron. Stocking, first author of the paper detailing the research, simulated their method on a phantom brain using a two-photon microscope. She measured the properties and analysed the effects to see if the electrical potential from the photoelectric effect stimulated the cells in a similar way to traditional neural stimulation.

"We discovered that photostimulation is effective," said Stocking. "Temperature increases were not significant, which lowers the chance of heat damage, and activated cells were closer to the electrode than in electrical stimulation under similar conditions, which indicates increased spatial precision."

"What we didn't expect to see was that this photoelectric method of stimulation allows us to stimulate a different and more discrete population of neurons than could be achieved with electrical stimulation." said Kozai, "This gives researchers another tool in their toolbox to explore neural circuits in the nervous system.

"We've had numerous critics who did not have faith in the mathematical modifications that were made to Einstein's original photoelectric equation, but we believed in the approach and even filed a patent application", said Kozai. "This is a testament to Kaylene's hard work and diligence to take a theory and turn it into a well-controlled validation of the technology."

Kozai's group is currently looking further into other opportunities to advance this technology, including reaching deeper tissue and wireless drug delivery.

The team’s research is detailed in a paper titled: Intracortical neural stimulation with untethered, ultra small carbon fiber electrodes mediated by the photoelectric effect. The work was done in collaboration with Alberto Vasquez, research associate professor of radiology and bioengineering at the University of Pittsburgh.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/untethered-electrode-sheds-light-on-therapeutic-uses-of-neural-stimulation?utm_source=content_recommendation&utm_medium=blueconic