Gli scienziati scoprono come "Hack the Brain" senza ricorrere alla chirurgia

Moltissima scienza legittima - oltre a un sacco di fantascienza - discute i modi per "hackerare il cervello". Ciò che in realtà significa, la maggior parte delle volte - anche negli esempi fittizi - implica la chirurgia, aprendo il cranio per impiantare fili o dispositivi fisicamente nel cervello.

Ma è difficile, pericoloso e potenzialmente mortale. Sarebbe più intelligente lavorare con il cervello senza dover aprire i crani dei pazienti. I disordini neurologici sono comuni, colpiscono più di un miliardo di persone in tutto il mondo, di tutte le età, generi e livelli di istruzione e reddito. La ricerca del mio team di ingegneria neurale, come parte di uno sforzo più ampio in tutta la disciplina di bioingegneria, sta lavorando per comprendere e facilitare varie disfunzioni neurologiche, come la sclerosi multipla, il disturbo dello spettro autistico e il morbo di Alzheimer.

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L'identificazione e l'influenza dell'attività cerebrale dall'esterno del cranio potrebbe infine consentire ai medici di diagnosticare e trattare un'ampia gamma di malattie debilitanti del sistema nervoso e disturbi mentali senza chirurgia invasiva.

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Connessioni wireless all'interno del cervello

Il mio gruppo crede che siamo i primi ad aver scoperto un nuovo modo in cui le cellule nervose comunicano tra loro. I nervi sono ben noti per connettersi attraverso collegamenti fisici - o quelle che potrebbero essere chiamate connessioni "cablate" - in cui gli assoni di una cellula nervosa inviano segnali elettrici e chimici ai dendriti di una cellula vicina.

La nostra ricerca ha scoperto che le cellule nervose comunicano anche in modalità wireless, utilizzando l'attività cablata per creare minuscoli campi elettrici propri e rilevare i campi che le celle vicine creano. Ciò crea la possibilità di molti più percorsi neurali e può aiutare a spiegare perché diverse parti del cervello si connettono così rapidamente durante l'esecuzione di compiti complicati.

Siamo stati in grado di monitorare questi campi elettrici dall'esterno del cranio, ascoltando efficacemente le comunicazioni nervose. Speriamo che ci aiutino a trovare connessioni alternative e sane per i nervi danneggiati dalla sclerosi multipla, o riequilibrare l'attività dei nervi a causa del disturbo dello spettro autistico, oi neuroni primari a sparare insieme in schemi specifici e ripristinare i ricordi a lungo termine persi a causa del morbo di Alzheimer.

Nello specifico, abbiamo scoperto che quando una fibra nervosa isolata o mielinizzata nel cervello è attiva e invia segnali lungo la sua lunghezza noti come potenziali d'azione, regioni speciali lungo la sua lunghezza generano un campo elettrico molto piccolo. Le regioni cellulari in cui ciò accade, chiamate nodi di Ranvier, agiscono come piccole antenne in grado di trasmettere e ricevere segnali elettrici.

Qualsiasi interruzione delle due strutture altamente specializzate - la guaina mielinica o il nodo di Ranvier - non solo si traduce in disfunzioni neurologiche, ma anche il campo elettrico circostante cambia.

Ascoltando i nervi

La sfida tecnologica coinvolge con precisione il targeting di specifiche parti del cervello per ascoltare. Il dispositivo deve ricevere segnali da aree grosso modo il diametro di un capello umano, alcuni centimetri in profondità all'interno del cervello.

Un modo è quello di posizionare un piccolo numero di patch di antenna flessibili sul cranio per creare quella che chiamiamo "lente cerebrale". Confrontando le letture di diverse patch ci permette di indirizzare elettronicamente esattamente i nervi da ascoltare. Stiamo progettando e sperimentando metamateriali - materiali ingegnerizzati a livello molecolare - che sono particolarmente adatti a servire come antenne ad alta precisione che possono essere sintonizzate per ricevere segnali da posizioni molto specifiche.

Nessun dolore, ma potenzialmente grande guadagno

Ascoltando le comunicazioni wireless tra i nervi, possiamo identificare le aree del cervello in cui i campi elettrici indicano che ci sono problemi. Le caratteristiche dettagliate dell'attività di un nervo - o la mancanza di attività - possono offrire indizi su quale problema specifico si sta verificando nel cervello. Questi risultati potrebbero aiutare a diagnosticare le potenziali condizioni mediche molto più facilmente rispetto ai metodi attuali.

Guardate, ad esempio, nel caso reale di un paziente, una donna di 38 anni che chiameremo "Bianca", a cui è stata diagnosticata la sclerosi multipla, una malattia degenerativa del cervello e del midollo spinale che non ha una cura conosciuta. Il sistema immunitario dei pazienti con sclerosi multipla danneggia la guaina mielinica tra i nodi di Ranvier, causando problemi di comunicazione tra il cervello e il resto del corpo. Questo danno altera radicalmente l'attività nei nervi colpiti.

Per monitorare i progressi della sua malattia, Bianca ha avuto i colpetti spinali per vedere se il suo fluido spinale ha alti livelli di particolari anticorpi associati alla SM. Ha anche effettuato scansioni MRI per rivelare le aree del suo cervello in cui la mielina è danneggiata e dovrà affrontare test aggiuntivi per determinare la velocità con cui le informazioni fluiscono attraverso il suo sistema nervoso.

L'uso di un dispositivo per l'obiettivo del cervello consentirebbe ai medici di monitorare il cervello di Bianca senza dolori spinali spiacevoli e risonanza magnetica e scansioni che richiedono molto tempo. Può un giorno permettere a Bianca di monitorare il proprio cervello e inviare i dati al suo specialista per la valutazione.

Terapia terapeutica senza farmaci e chirurgia

Inoltre, speriamo che il nostro approccio possa portare a nuove terapie che siano anche più facili per i pazienti. Al momento, Bianca sta assumendo diversi farmaci che comportano rischi significativi per la salute e spesso la fanno sentire nauseata e affaticata. Lei è una delle tante, che vuole provare una diversa opzione terapeutica.

Questo lavoro prevede di andare oltre l'identificazione delle regioni del suo cervello in cui i campi elettrici indicano condizioni malsane. Ispirati alla gestione della rete informatica e alle reti digitali avanzate, che indirizzano i segnali intorno alle aree danneggiate o interrotte, stiamo sviluppando un metodo con cui il nostro sistema patch scalp potrebbe inviare messaggi anche al cervello.

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Ogni fibra nervosa danneggiata è generalmente una delle migliaia confezionata insieme in un tratto di fibre nervose dove le fibre nervose vicine sono in genere in buona salute. Il nostro dispositivo potrebbe aiutare a identificare i siti con danni alla mielina e seguire quelle fibre nervose indietro prima del punto di danno, per raccogliere i loro segnali indisturbati. Quindi useremmo la lente cerebrale per trasmettere campi elettrici complementari nel cervello, inviando quei segnali sani alle aree attorno al danno della mielina, per incoraggiare le fibre nervose vicine a trasportare i messaggi che la fibra danneggiata non può.

Finora, siamo stati in grado di simulare questo approccio in un ambiente di supercomputer in cui i parametri del nervo cerebrale sono stati forniti da laboratori di ricerca clinica. Nei prossimi mesi costruiremo e testeremo un prototipo di lente cerebrale. Ascoltare il cervello e comunicare con esso offre una nuova affascinante serie di possibilità per la diagnosi e il trattamento medico senza intervento chirurgico.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation di Salvatore Domenic Morgera. Leggi l'articolo originale qui.