Rappresentazione artistica del supporto flessibile, conformabile e trasparente della nuova interfaccia cervello-computer con microaghi penetranti sviluppata da un team guidato da ingegneri dell'Università della California a San Diego nel laboratorio del professore di ingegneria elettrica Shadi Dayeh. Credito immagine: Shadi Dayeh / UC San Diego / SayoStudio

Il supporto flessibile consente a matrici di aghi su microscala di conformarsi ai contorni del cervello, migliorando la registrazione cerebrale ad alta risoluzione

14 marzo 2022: i ricercatori di ingegneria hanno inventato un'interfaccia cervello-computer avanzata con un supporto flessibile e modellabile e microaghi penetranti. L'aggiunta di un supporto flessibile a questo tipo di interfaccia cervello-computer consente al dispositivo di conformarsi in modo più uniforme alla complessa superficie curva del cervello e di distribuire in modo più uniforme i microaghi che perforano la corteccia. I microaghi, che sono 10 volte più sottili dei capelli umani, sporgono dal supporto flessibile, penetrano nella superficie del tessuto cerebrale senza perforare le venule superficiali e registrano i segnali dalle cellule nervose vicine in modo uniforme su un'ampia area della corteccia.   

Questa nuova interfaccia cervello-computer è stata finora testata sui roditori. I dettagli sono stati pubblicati online il 25 febbraio sulla rivista Advanced Functional Materials. Questo lavoro è guidato da un team nel laboratorio del professore di ingegneria elettrica Shadi Dayeh presso l'Università della California a San Diego, insieme ai ricercatori della Boston University guidati dalla professoressa di ingegneria biomedica Anna Devor. 

Questa nuova interfaccia cervello-computer è alla pari e supera la "Utah Array", che è il gold standard esistente per le interfacce cervello-computer con microaghi penetranti. È stato dimostrato che lo Utah Array aiuta le vittime di ictus e le persone con lesioni del midollo spinale. Le persone con Utah Array impiantati sono in grado di usare i loro pensieri per controllare arti robotici e altri dispositivi al fine di ripristinare alcune attività quotidiane come oggetti in movimento.

Il supporto della nuova interfaccia cervello-computer è flessibile, conformabile e riconfigurabile, mentre lo Utah Array ha un supporto rigido e inflessibile. La flessibilità e la conformabilità del supporto del nuovo microneedle-array favorisce un contatto più stretto tra il cervello e gli elettrodi, che consente una registrazione migliore e più uniforme dei segnali di attività cerebrale. Lavorando con i roditori come specie modello, i ricercatori hanno dimostrato registrazioni stabili a banda larga che producono segnali robusti per la durata dell'impianto che è durato 196 giorni. 

Inoltre, il modo in cui vengono prodotte le interfacce cervello-computer con supporto morbido consente superfici di rilevamento più grandi, il che significa che un'area significativamente più ampia della superficie del cervello può essere monitorata contemporaneamente. Nel documento Advanced Functional Materials , i ricercatori dimostrano che una matrice di microaghi penetrante con 1.024 microaghi ha registrato con successo segnali innescati da stimoli precisi provenienti dal cervello dei ratti. Ciò rappresenta dieci volte più microaghi e dieci volte l'area di copertura del cervello, rispetto alle tecnologie attuali.

Supporti più sottili e trasparenti

Queste interfacce cervello-computer dal retro morbido sono più sottili e leggere dei tradizionali supporti in vetro di questo tipo di interfacce cervello-computer. I ricercatori osservano nel loro documento sui materiali funzionali avanzati che supporti leggeri e flessibili possono ridurre l'irritazione del tessuto cerebrale che entra in contatto con gli array di sensori. 

Anche i supporti flessibili sono trasparenti. Nel nuovo documento, i ricercatori dimostrano che questa trasparenza può essere sfruttata per eseguire ricerche neuroscientifiche fondamentali che coinvolgono modelli animali che altrimenti non sarebbero possibili. Il team, ad esempio, ha dimostrato la registrazione elettrica simultanea da array di microaghi penetranti e la fotostimolazione optogenetica.

Produzione litografica su due lati

La flessibilità, le impronte più grandi dell'array di microaghi, la riconfigurabilità e la trasparenza dei supporti dei nuovi sensori cerebrali sono tutte grazie all'approccio litografia a doppia faccia utilizzato dai ricercatori. 

Concettualmente, partendo da un wafer di silicio rigido, il processo di produzione del team consente loro di costruire circuiti e dispositivi microscopici su entrambi i lati del wafer di silicio rigido. Da un lato, sopra il wafer di silicio viene aggiunta una pellicola flessibile e trasparente. All'interno di questo film, un doppio strato di tracce di titanio e oro è incorporato in modo che le tracce si allineino con il punto in cui verranno fabbricati gli aghi sull'altro lato del wafer di silicio. 

Lavorando dall'altro lato, dopo che è stata aggiunta la pellicola flessibile, tutto il silicio viene inciso via, ad eccezione delle colonne di silicio autoportanti, sottili e appuntite. Queste colonne appuntite di silicio sono, in effetti, i microaghi e le loro basi si allineano con le tracce di titanio e oro all'interno dello strato flessibile che rimane dopo che il silicio è stato inciso. Queste tracce di titanio e oro sono modellate tramite tecniche di microfabbricazione standard e scalabili, consentendo una produzione scalabile con un lavoro manuale minimo. Il processo di produzione offre la possibilità di progettazione di array flessibili e scalabilità fino a decine di migliaia di microaghi.  

Verso sistemi a circuito chiuso

Guardando al futuro, saranno necessari array di microaghi penetranti con un'ampia copertura spaziale per migliorare le interfacce cervello-macchina al punto da poter essere utilizzati in "sistemi a circuito chiuso" che possono aiutare le persone con mobilità gravemente limitata. Ad esempio, questo tipo di sistema a circuito chiuso potrebbe offrire a una persona che utilizza una mano robotica un feedback tattico in tempo reale sugli oggetti che la mano robotica sta afferrando.  

I sensori tattili sulla mano robotica rileverebbero la durezza, la consistenza e il peso di un oggetto. Queste informazioni registrate dai sensori verrebbero tradotte in schemi di stimolazione elettrica che viaggiano attraverso fili all'esterno del corpo fino all'interfaccia cervello-computer con microaghi penetranti. Questi segnali elettrici fornirebbero informazioni direttamente al cervello della persona sulla durezza, la consistenza e il peso dell'oggetto. A sua volta, la persona regolerebbe la propria forza di presa in base alle informazioni rilevate direttamente dal braccio robotico. 

Questo è solo un esempio del tipo di sistema a circuito chiuso che potrebbe essere possibile una volta che gli array di microaghi penetranti possono essere ingranditi per conformarsi al cervello e coordinare l'attività attraverso i centri di "comando" e "feedback" del cervello.

In precedenza, il laboratorio Dayeh ha inventato e dimostrato i tipi di sensori tattili necessari per questo tipo di applicazione, come evidenziato in questo video.

Percorso verso la commercializzazione

I processi avanzati di microfabbricazione litografica su due lati descritti in questo documento sono brevettati (US 10856764). Dayeh ha co-fondato Precision Neurotek Inc. per tradurre le tecnologie innovative nel suo laboratorio per far avanzare lo stato dell'arte nella pratica clinica e per far avanzare i campi della neuroscienza e della neurofisiologia.

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