Gli elettrodi in fibra di carbonio potrebbero essere la chiave di volta per chi soffre di alcune patologie: potrebbero permettere alle persone con protesi di averne il controllo; sarebbero in grado di stimolare il nervo sacrale per ripristinare il controllo della vescica e stimolare il nervo vago cervicale per curare l’epilessia e fornire una stimolazione cerebrale profonda come possibile trattamento per il Parkinson.
Lo sviluppo di questo impianto della tecnologia biomedica è dovuto agli esperti dell’ Università del Michigan che hanno dimostrato nei ratti, in seguito al trapianto di un minuscolo elettrodo impiantabile in fibra di carbonio, il potenziale per fornire un’interfaccia cervello-computer a lungo termine in grado di catturare la portata e le sfumature dei segnali elettrici per lunghi periodi di tempo.
La ricerca è stata pubblicata nell’ultima edizione di IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering
Elettrodi in fibra di carbonio: quali saranno i reali vantaggi?
La nuova ricerca ha dimostrato che gli elettrodi in fibra di carbonio sono in grado di fornire segnali elettrici dal cervello di un topo a un computer esterno senza danneggiare il tessuto cerebrale. L’impianto diretto di elettrodi in fibra di carbonio nel cervello cattura segnali più grandi e più specifici rispetto alle tecnologie attuali.
“Esistono interfacce che possono essere impiantate direttamente nel cervello ma, per una serie di motivi, durano solo da mesi a pochi anni”, ha affermato Elissa Welle, esperta che ha partecipato alla ricerca, laureata presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica UM. “Ogni volta che apri il cranio per una procedura che coinvolge il cervello, è un grosso problema”.
Il silicio è più ampiamente utilizzato negli impianti cerebrali di oggi grazie alla sua capacità di condurre elettricità e al suo uso storico nella tecnologia delle camere bianche. Ma il corpo umano vede il silicio come una sostanza estranea, il che significa che porterà alla formulazione di tessuto cicatriziale per lunghi periodi. Alla fine si degraderà e non catturerà più i segnali cerebrali, richiedendo la rimozione.
Gli elettrodi in fibra di carbonio possono essere la risposta per ottenere segnali di alta qualità con un’interfaccia che dura anni, non mesi. Il carbonio è uno degli elementi chiave del corpo, presente in molecole organiche come proteine, carboidrati e grassi, e tagliando al laser e affilando le fibre di carbonio in minuscoli elettrodi subcellulari in laboratorio con l’aiuto di una piccola fiamma ossidrica, gli ingegneri della messaggistica unificata hanno sfruttato il potenziale per un’eccellente acquisizione del segnale in una forma che è più probabile che il corpo accetti.
“Dopo l’impianto, si stabilisce all’interno del cervello in un modo che non interferisce con i vasi sanguigni circostanti, perché è più piccolo di quei vasi sanguigni”, ha detto Welle. “Gli elettrodi in fibra di carbonio si muoveranno e si adatteranno a un oggetto così piccolo, piuttosto che strapparsi come farebbero quando incontrano impianti più grandi”.
Le dimensioni più piccole spiegano parte della compatibilità dell’elettrodo nel tessuto cerebrale, ma la sua forma aghiforme può anche ridurre al minimo la compattazione di qualsiasi tessuto circostante. È stato dimostrato che elettrodi con carbonio più grandi esistono nel corpo e incoraggiano effettivamente il tessuto neurale a crescere piuttosto che degradarsi. Il team di UM spera che ulteriori test rivelino un potenziale simile per i loro elettrodi in fibra di carbonio nel cervello e nei nervi.
Il lavoro precedente del team UM ha dimostrato la capacità dell’elettrodo di catturare segnali dal cervello di un topo. In uno studio precedente, gli elettrodi in fibra di carbonio hanno nettamente superato gli elettrodi in silicio convenzionali con il 34% degli elettrodi che registrano un segnale neuronale rispetto al 3%. Il taglio laser ha quindi migliorato questo numero fino al 71 percento a nove settimane dall’impianto. L’affilatura della fiamma ha ora consentito di impiantare queste sonde ad alte prestazioni direttamente nella corteccia cerebrale, eliminando la necessità di un ausilio per l’inserimento temporaneo, o navetta, nonché nel nervo vago cervicale del ratto.
Il cervello, con la sua superficie ampia e piatta, è relativamente facile da inserire negli elettrodi. Ma gli ingegneri della messaggistica unificata si sono anche assunti il compito più difficile di inserire gli elettrodi affilati in fibra di carbonio nei nervi, con diametri che possono essere piccoli quanto lo spessore di diverse ciocche di capelli.
Questi risultati mostrano che il potenziale degli elettrodi di UM va oltre la manipolazione protesica, secondo Cindy Chestek, professoressa associata di ingegneria biomedica e ricercatrice principale del The Cortical Neural Prosthetics Lab.
“Qualcuno che è paralizzato potrebbe non avere alcun controllo su cose come la vescica, per esempio”, ha detto Chestek. “Potremmo essere in grado di utilizzare questi elettrodi più piccoli per stimolare e registrare segnali da aree che non possono essere raggiunte da quelli più grandi, forse il collo o il midollo spinale, per aiutare a dare ai pazienti un certo livello di controllo”.
