(30Science.com) – Roma, 19 gen. – Un team di ingegneri, chirurghi e ricercatori medici ha pubblicato dati sia da esseri umani che da ratti, dimostrando che una nuova serie di sensori cerebrali può registrare segnali elettrici direttamente dalla superficie del cervello umano con dettagli da record. I nuovi sensori cerebrali presentano griglie densamente imballate di 1.024 o 2.048 sensori di elettrocorticografia (ECoG) incorporati. Il documento è stato pubblicato dalla rivista Science Translational Medicine il 19 gennaio 2022 .
Queste sottili e flessibili griglie di sensori ECoG, se approvate per l’uso clinico, offrirebbero ai chirurghi informazioni sui segnali cerebrali direttamente dalla superficie della corteccia cerebrale con una risoluzione 100 volte superiore a quella disponibile oggi. L’accesso a questa prospettiva altamente dettagliata su quali aree specifiche del tessuto sulla superficie del cervello, o corteccia cerebrale, sono attive e quando, potrebbe fornire una guida migliore per la pianificazione di interventi chirurgici per rimuovere i tumori cerebrali e trattare chirurgicamente l’epilessia resistente ai farmaci. A lungo termine, il team sta lavorando su versioni wireless di queste griglie ECoG ad alta risoluzione che potrebbero essere utilizzate per un massimo di 30 giorni di monitoraggio cerebrale per le persone con epilessia intrattabile.
Il progetto è guidato dal professore di ingegneria elettrica Shadi Dayeh presso la San Diego Jacobs School of Engineering dell’Università della California. Il team di ingegneri, chirurghi e ricercatori medici proviene dalla UC San Diego; Ospedale Generale del Massachusetts; e Università della salute e della scienza dell’Oregon.
Elettrocorticografia di nuova generazione
La registrazione dell’attività cerebrale da griglie di sensori posti direttamente sulla superficie del cervello – l’elettrocorticografia (ECoG) – è già di uso comune come strumento da parte dei chirurghi che eseguono procedure per rimuovere i tumori cerebrali e curare l’epilessia in persone che non rispondono a farmaci o altro trattamenti. Il nuovo lavoro in Science Translational Medicine fornisce un’ampia gamma di dati sottoposti a revisione paritaria che dimostrano che le griglie con 1.024 o 2.048 sensori possono essere utilizzate per registrare ed elaborare in modo affidabile segnali elettrici direttamente dalla superficie del cervello sia negli esseri umani che nei ratti. Per fare un confronto, le griglie ECoG più comunemente utilizzate oggi negli ambulatori hanno in genere tra 16 e 64 sensori, sebbene sia possibile realizzare griglie per la ricerca con 256 sensori.
Essere in grado di registrare segnali cerebrali a una risoluzione così elevata potrebbe migliorare la capacità dei chirurghi di rimuovere quanto più tumore possibile al cervello riducendo al minimo i danni al tessuto cerebrale sano. Nel caso dell’epilessia, una capacità di registrazione del segnale cerebrale ad alta risoluzione potrebbe migliorare la capacità del chirurgo di identificare con precisione le regioni del cervello in cui hanno origine le crisi epilettiche, in modo che queste regioni possano essere rimosse senza toccare le regioni cerebrali vicine non coinvolte nell’inizio delle crisi epilettiche . In questo modo, queste griglie ad alta risoluzione possono migliorare la conservazione del tessuto cerebrale normale e funzionante.
Dimostrare che le griglie ECoG con migliaia di sensori funzionano bene apre anche nuove opportunità nelle neuroscienze per scoprire una comprensione più profonda di come funziona il cervello umano. I progressi della scienza di base, a loro volta, potrebbero portare a trattamenti migliori basati su una migliore comprensione della funzione cerebrale.
Spaziatura di un millimetro contro un centimetro
La registrazione dei segnali cerebrali a una risoluzione più elevata è attribuibile alla capacità del team di posizionare i singoli sensori significativamente più vicini tra loro senza creare interferenze problematiche tra i sensori vicini. Ad esempio, la griglia di tre centimetri per tre centimetri del team con 1.024 sensori ha registrato segnali direttamente dal tessuto cerebrale di 19 persone che hanno accettato di partecipare a questo progetto durante i “periodi di inattività” dei loro interventi chirurgici al cervello già programmati relativi a entrambi cancro o epilessia. In questa configurazione a griglia, i sensori sono distanziati di un millimetro l’uno dall’altro. Al contrario, le griglie ECoG già approvate per l’uso clinico hanno tipicamente sensori posizionati a un centimetro di distanza. Ciò fornisce alle nuove griglie 100 sensori per unità di area rispetto a 1 sensore per unità di area per le griglie clinicamente utilizzate,
Sensori realizzati con nano-barre di platino
Sebbene l’utilizzo di sensori a base di platino per la registrazione dell’attività elettrica dai neuroni nel cervello non sia una novità, il team di ricerca sta utilizzando il platino in un modo nuovo: bastoncini di platino su scala nanometrica. La forma dell’asta nano offre una superficie di rilevamento maggiore rispetto ai sensori piatti al platino, il che aiuta a rendere i sensori più sensibili. Il sistema di rilevamento si basa sul fatto che il conteggio degli elettroni nelle nano-barre di platino cambia in risposta ai neuroni che si attivano nel cervello.
Gli ioni carichi entrano ed escono da un neurone quando si attiva. Questo movimento di ioni carichi provoca cambiamenti nel potenziale di tensione nel liquido cerebrospinale in cui sono immersi i neuroni. Questi cambiamenti nel potenziale di tensione nel tessuto cerebrale e nel liquido cerebrospinale cambiano il conteggio della popolazione di elettroni nelle nano-barre di platino mediante processi di screening della carica . In questo modo, l’attivazione dei neuroni in corrispondenza o in prossimità della superficie della corteccia cerebrale viene registrata dai nanorod di platino quasi in tempo reale e con un’elevata precisione.
Griglie sottili e flessibili di sensori di varie dimensioni
Il cervello umano è sempre in movimento. Ad ogni battito cardiaco, ad esempio, il cervello si muove con il sangue pulsante che lo attraversa. Le griglie dei sensori a base di nano barre di platino sono più sottili e flessibili rispetto alle odierne griglie ECoG clinicamente approvate. La sottigliezza e la flessibilità consentono alle griglie dei sensori di muoversi con il cervello, consentendo una connessione più stretta e letture migliori. Inoltre, le griglie sono realizzate con piccoli fori a forma di anello che consentono il passaggio del liquido cerebrospinale. In questo modo, questi fori di perfusione supportano una migliore interfaccia tra la griglia del sensore e la superficie del cervello consentendo al sensore di spostare il fluido in modo facile e sicuro.
Le nuove griglie dei sensori cerebrali in nano-barra di platino hanno uno spessore di dieci micrometri, circa un decimo delle dimensioni di un capello umano e 100 volte più sottili delle griglie ECoG di un millimetro e clinicamente approvate. Le nano-barre sono incorporate in un materiale biocompatibile trasparente, morbido e flessibile chiamato parilene che è a diretto contatto con la superficie del cervello. I segnali elettrici viaggiano dal cervello, attraverso il liquido cerebrospinale, e raggiungono le superfici esposte delle nano-barre di platino che sono incassate all’interno del parilene. Questo design produce una griglia di sensori che forma una connessione stretta e stabile con la superficie del cervello, migliorando la qualità del segnale.
Il processo di produzione utilizzato consente anche un’ampia varietà di dimensioni e forme, che apre nuove possibilità per una copertura corticale maggiore e più personalizzata. La raccolta simultanea di segnali da aree più ampie del cervello potrebbe svelare più misteri del cervello.
Attraverso una stretta collaborazione tra gli ingegneri guidati dal professore di ingegneria elettrica Dayeh presso l’UC San Diego e i medici guidati dal neurochirurgo Ahmed Raslan presso l’Oregon Health & Science University, il team ha implementato miglioramenti del design orientati specificamente all’uso clinico. Ad esempio, è possibile stampare griglie di sensori personalizzate con fori specializzati che consentono ai chirurghi di inserire le sonde esattamente nel punto giusto e di applicare la stimolazione elettrica direttamente al tessuto cerebrale in posizioni specifiche. Con l’obiettivo di ottenere l’approvazione di griglie ECoG a risoluzione più elevata per l’uso clinico, Dayeh, Raslan e il co-primo autore Youngbin Tchoe hanno co-fondato una startup chiamata Precision Neurotek Inc.
Mappatura funzionale più precisa
Una delle sfide della rimozione dei tumori cerebrali è che la presenza del tumore innesca cambiamenti nel cervello, incluso il cambiamento di quali aree del cervello sono coinvolte in quali funzioni. Questi cambiamenti rendono fondamentale per l’équipe chirurgica realizzare una mappa personalizzata del cervello del paziente – “mappe funzionali” – al fine di decidere dove tagliare e dove non tagliare rimuovendo quanto più tumore possibile.
Gli autori del documento hanno dimostrato che queste mappe funzionali possono essere rese estremamente precise utilizzando i loro sensori ECoG in nano-rod di platino. In particolare, il team ha sviluppato mappe funzionali in quattro diverse persone di un confine nel cervello chiamato solco centrale. Il solco centrale divide la corteccia somatomotoria del cervello dalla corteccia somatosensoriale. In questi quattro individui, i ricercatori hanno posizionato le griglie di nano-barre di platino sulle superfici del cervello dei soggetti e hanno chiesto loro di svolgere una serie di attività, inclusa la presa della mano. Con queste informazioni, i ricercatori hanno ricostruito la posizione effettiva di questo punto di riferimento chiave nel cervello, nonché i correlati neurali nel cervello che corrispondono alla sensazione del dito e alla presa della mano. I risultati delle griglie di nano-barre di platino sono allineati con i risultati delle griglie ECoG a bassa risoluzione già approvate per l’uso clinico, ma con maggiore precisione su dove si trova esattamente questo confine funzionale critico tra la corteccia somatomotoria e la corteccia somatosensoriale. Il confine funzionale curvilineo appena delineato unico per il cervello di ogni paziente è superiore al confine lineare e spesso estrapolato che è determinato dalle odierne griglie cliniche distanziate di un centimetro.
Approfondimenti di neuroscienze
Alcuni dei dati recentemente pubblicati dal team provenienti da studi sui ratti dimostrano anche l’utilità delle griglie per aprire nuove strade nella ricerca neuroscientifica fondamentale. Il documento di Science Translational Medicine , ad esempio, include quella che i ricercatori ritengono sia la prima mappatura di una colonna corticale in un ratto dalle registrazioni della superficie cerebrale. In passato, la mappatura delle colonne corticali veniva eseguita solo posizionando un singolo ago sulla superficie del cervello e stimolazione elettrica sequenziale e movimento dell’ago attraverso la superficie del cervello. Più in generale, il fatto che le griglie di nano-barre di platino forniscano dati ad alta risoluzione sia nel tempo che nello spazio apre molte nuove possibilità per scoprire nuove conoscenze su come funziona il cervello.
Un’altra osservazione resa possibile dalle nuove griglie sta scoprendo contemporaneamente le onde cerebrali a corto e locale, nonché a lungo e ad ampio raggio associate alla funzione cerebrale. Questa immagine (dinamica) dell’attività cerebrale altamente spaziale e variabile nel tempo è stata documentata in diversi filmati supplementari associati al documento Science Translational Medicine ed è stata utilizzata per interpretare il movimento della mano in nuovi modi utilizzando i modelli di onde cerebrali.
Prossimi passi
Il team sta lavorando a una serie di iniziative in parallelo per far avanzare queste griglie in modo che possano essere esaminate per l’approvazione per l’uso a breve, medio e lungo termine. Ad esempio, il team, guidato dal professore di ingegneria elettrica della UC San Diego Shadi Dayeh, ha ricevuto una sovvenzione NIH di 12,25 milioni di dollari incentrata sullo sviluppo del sistema di rilevamento al punto che il passo successivo sarà una sperimentazione clinica per persone con epilessia resistente al trattamento. Questa sovvenzione finanzia anche gli sforzi per rendere il sistema wireless, che sarebbe importante per un uso a medio e lungo termine. (30Science.com)
