Elettrodo neurotrofico: cos’è, dispositivo intracorticale

L’ elettrodo neurotrofico è un dispositivo intracorticale progettato per leggere i segnali elettrici che il cervello utilizza per elaborare le informazioni. Consiste in un piccolo cono di vetro cavo collegato a diversi fili d’oro elettricamente conduttivi. Il termine neurotrofico significa “relativo alla nutrizione e al mantenimento del tessuto nervoso” e il dispositivo prende il nome dal fatto che è rivestito con Matrigel e fattore di crescita nervoso per favorire l’espansione dei neuriti attraverso la sua punta.È stato inventato dal neurologo Dr. Philip Kennedy ed è stato impiantato con successo per la prima volta in un paziente umano nel 1996 dal neurochirurgo Roy Bakay.

ONU

L’elettrodo neurotrofico: fili d’oro rivestiti di teflon si estendono dalla parte posteriore del cono di vetro, mentre i neuriti (mostrati in blu) crescono attraverso di esso.

Sfondo

Motivazione per lo sviluppo

Le vittime della sindrome del lock-in sono cognitivamente intatte e consapevoli di ciò che le circonda, ma non possono muoversi o comunicare a causa della quasi completa paralisi dei muscoli volontari. Nei primi tentativi di restituire un certo grado di controllo a questi pazienti, i ricercatori hanno utilizzato segnali corticali ottenuti con l’elettroencefalografia (EEG) per guidare un cursore del mouse. Tuttavia, l’EEG non ha la velocità e la precisione che si possono ottenere utilizzando un’interfaccia corticale diretta.

Anche i pazienti con altre malattie motorie, come la sclerosi laterale amiotrofica e la paralisi cerebrale , nonché coloro che hanno subito un grave ictus o una lesione del midollo spinale, possono beneficiare degli elettrodi impiantati. I segnali corticali possono essere utilizzati per controllare gli arti robotici, quindi con il miglioramento della tecnologia e la riduzione dei rischi della procedura, l’interfacciamento diretto può persino fornire assistenza agli amputati.

Sviluppo progettuale

Quando il dottor Kennedy stava progettando l’elettrodo, sapeva di aver bisogno di un dispositivo che fosse wireless, biologicamente compatibile e capace di impianto cronico. Gli studi iniziali con scimmie Rhesus e ratti hanno dimostrato che l’elettrodo neurotrofico era in grado di impiantarsi cronicamente fino a 14 mesi (le prove sull’uomo avrebbero successivamente stabilito una robustezza ancora maggiore). Questa longevità è stata inestimabile per gli studi perché mentre le scimmie venivano addestrate a un compito, i neuroni inizialmente silenziosi hanno iniziato ad attivarsi mentre il compito veniva appreso, un fenomeno che non sarebbe stato osservabile se l’elettrodo non fosse stato in grado di impianto a lungo termine.

Componenti

Cono di vetro

Il cono di vetro è lungo solo 1-2 mm ed è pieno di fattori trofici per incoraggiare assoni e dendriti a crescere attraverso la punta e il corpo cavo. Quando i neuriti raggiungono l’estremità posteriore del cono, si ricongiungono con il neuropilo su quel lato, che fissa il cono di vetro in posizione. Di conseguenza, è possibile ottenere registrazioni a lungo termine stabili e robuste. Il cono si trova con la sua punta vicino al quinto strato della corteccia, tra i corpi cellulari del tratto corticospinale , ed è inserito con un angolo di 45° dalla superficie, a circa 5 o 6 mm di profondità.

Fili d’oro

Tre o quattro fili d’oro sono incollati all’interno del cono di vetro e sporgono dal retro. Registrano l’attività elettrica degli assoni che sono cresciuti attraverso il cono e sono isolati con Teflon . I fili sono avvolti in modo da alleviare la tensione perché sono incorporati nella corteccia da un’estremità e attaccati agli amplificatori, che sono fissati all’interno del cranio, dall’altra. Due fili sono collegati a ciascun amplificatore per fornire segnali differenziali .

Trasmettitore senza fili

Uno dei maggiori punti di forza dell’elettrodo neurotrofico è la sua capacità wireless, perché senza cablaggio transdermico, il rischio di infezione è significativamente ridotto. Quando i segnali neurali vengono raccolti dagli elettrodi, viaggiano lungo i fili d’oro e attraverso il cranio, dove vengono trasmessi ai bioamplificatori (solitamente implementati da amplificatori differenziali ). I segnali amplificati vengono inviati tramite un interruttore a un trasmettitore , dove vengono convertiti in segnali FM e trasmessi con un’antenna. Gli amplificatori ei trasmettitori sono alimentati da un segnale induttivo da 1 MHz rettificato e filtrato. L’antenna, gli amplificatori, gli interruttori analogici ei trasmettitori FM sono tutti contenuti in uno standardcircuito stampato a montaggio superficiale che si trova appena sotto il cuoio capelluto. L’intero insieme è rivestito di gel protettivi, Parylene , Elvax e Silastic , per renderlo biocompatibile e per proteggere l’elettronica dai fluidi.

Sistema di acquisizione dati

All’esterno del cuoio capelluto del paziente si trova la bobina di induzione corrispondente e un’antenna che invia il segnale FM al ricevitore . Questi dispositivi sono temporaneamente tenuti in posizione con una pasta idrosolubile. Il ricevitore demodula il segnale e lo invia al computer per l’ ordinamento dei picchi e la registrazione dei dati.

Assemblaggio

La maggior parte dell’elettrodo neurotrofico è realizzata a mano. I fili d’oro vengono tagliati alla lunghezza corretta, arrotolati e quindi piegati a un angolo di 45° appena sopra il punto di contatto con il cono per limitare la profondità dell’impianto. Viene aggiunta un’altra curva nella direzione opposta dove i fili passano attraverso il cranio. Le punte vengono private del loro rivestimento in teflon e quelle più lontane dal cono vengono saldate e quindi sigillate con acrilico dentale a un connettore del componente. Il cono di vetro viene realizzato riscaldando e tirando una bacchetta di vetro fino a una punta e quindi tagliando la punta alla lunghezza desiderata. L’altra estremità non è un taglio dritto, ma piuttosto è scolpita ad angolo per fornire una mensola su cui possono essere attaccati i fili d’oro. I fili vengono quindi posizionati sul ripiano e su un metacrilato di metilela colla gel viene applicata in più strati, prestando attenzione a non coprire le punte conduttive. Infine, il dispositivo viene sterilizzato con gas glutaraldeide a bassa temperatura e aerato.

Implementazione

Controllo del cursore del computer

Uno dei pazienti del dottor Kennedy, Johnny Ray, è stato in grado di imparare a controllare il cursore di un computer con l’elettrodo neurotrofico. Tre segnali neurali distinti dal dispositivo sono stati correlati rispettivamente con il movimento del cursore lungo l’asse x, lungo l’asse y e una funzione di “selezione”. Il movimento in una data direzione è stato innescato da un aumento della frequenza di attivazione dei neuroni sul canale associato.

Sintesi vocale

I segnali neurali suscitati da un altro dei pazienti del Dr. Kennedy sono stati usati per formulare suoni vocalici usando un sintetizzatore vocale in tempo reale. La configurazione elettronica era molto simile a quella utilizzata per il cursore, con l’aggiunta di un decodificatore neurale post-ricevitore e del sintetizzatore stesso. I ricercatori hanno impiantato l’elettrodo nell’area della corteccia motoria associata al movimento degli articolatori del linguaggio perché una scansione fMRI preoperatoria indicava un’elevata attività durante un compito di denominazione delle immagini. Il ritardo medio dall’accensione neurale all’uscita del sintetizzatore era di 50 ms, che è approssimativamente lo stesso del ritardo per un percorso biologico intatto.

Confronto con altri metodi di registrazione

L’elettrodo neurotrofico, come descritto sopra, è un dispositivo wireless e trasmette i suoi segnali per via transcutanea. Inoltre, ha dimostrato una longevità di oltre quattro anni in un paziente umano, perché ogni componente è completamente biocompatibile . I dati recenti di una persona rinchiusa impiantata per 13 anni non mostrano chiaramente cicatrici e molti neurofilamenti mielinizzati (assoni) [12] Quindi la domanda sulla longevità ha avuto risposta per l’elettrodo neurotrofico. In confronto, gli elettrodi a filo (array Utah) perdono segnale nel corso di mesi e anni: l’array Utah perde l’85% dei suoi segnali in 3 anni [13] , quindi non può essere considerato per un uso umano a lungo termine. Il sistema ECOG perde segnali in meno di 2 anni [14]. Molti tipi di elettrodi emergenti, come quelli sviluppati da Neuralink, soffrono ancora di problemi simili. I dati degli elettrodi metallici, tuttavia, sono molto utili a breve termine e hanno prodotto abbondanti quantità di dati molto utili nel cervello per lo spazio di ricerca dei computer.

L’elettrodo neurotrofico era limitato nella quantità di informazioni che poteva fornire, tuttavia, perché l’elettronica che usava per trasmettere il suo segnale richiedeva così tanto spazio sul cuoio capelluto che solo quattro potevano stare su un cranio umano. Questo sta diventando meno un problema nel tempo man mano che la tecnologia degli amplificatori migliora. Inoltre, i piccoli numeri di elettrodi si sono dimostrati ancora utili. Ci sono circa 20 unità singole per elettrodo e risultati recenti dimostrano che un elettrodo con 23 unità singole potrebbe decodificare il parlato udibile e silenzioso, in particolare telefoni, parole e frasi [15] .

In alternativa, l’ array Utah è attualmente un dispositivo cablato, ma trasmette più informazioni. È stato impiantato in un essere umano per oltre due anni ed è costituito da 100 elettrodi aghiformi in silicio conduttivo, quindi ha un’alta risoluzione e può registrare da molti singoli neuroni. L’elettrodo neurotrofico ha un’alta risoluzione anche come evidenziato dall’importanza delle unità a scarica lenta che sono generalmente respinte da altri gruppi [16] .

In un esperimento, il dottor Kennedy ha adattato l’elettrodo neurotrofico per leggere i potenziali di campo locale (LFP). Ha dimostrato che sono in grado di controllare i dispositivi di tecnologia assistiva, suggerendo che è possibile utilizzare tecniche meno invasive per ripristinare la funzionalità dei pazienti bloccati. Tuttavia, lo studio non ha affrontato il grado di controllo possibile con le LFP né effettuato un confronto formale tra le LFP e l’attività di una singola unità. È stato il primo studio a dimostrare che gli LFP potrebbero essere utilizzati per controllare un dispositivo.

L’ elettroencefalografia (EEG) comporta il posizionamento di molti elettrodi di superficie sul cuoio capelluto del paziente, nel tentativo di registrare l’attività sommata da decine di migliaia a milioni di neuroni. L’EEG ha il potenziale per un uso a lungo termine come interfaccia cervello-computer , perché gli elettrodi possono essere tenuti sul cuoio capelluto a tempo indeterminato. Le risoluzioni temporali e spaziali e i rapporti segnale/rumore dell’EEG sono sempre rimasti indietro rispetto a quelli di dispositivi intracorticali comparabili, ma ha il vantaggio di non richiedere un intervento chirurgico.

L’ elettrocorticografia (ECoG) registra l’attività cumulativa di centinaia o migliaia di neuroni con un foglio di elettrodi posizionato direttamente sulla superficie del cervello. Oltre a richiedere un intervento chirurgico e avere una bassa risoluzione, il dispositivo ECoG è cablato, il che significa che il cuoio capelluto non può essere completamente chiuso, aumentando il rischio di infezione. Tuttavia, i ricercatori che studiano ECoG affermano che la griglia “possiede caratteristiche adatte per l’impianto a lungo termine”. I loro dati pubblicati indicano la perdita del segnale entro due anni [14] .

Svantaggi

Ritardo di attivazione

L’elettrodo neurotrofico non è attivo immediatamente dopo l’impianto perché gli assoni devono crescere nel cono prima che il dispositivo possa captare i segnali elettrici. Gli studi hanno dimostrato che la crescita dei tessuti è in gran parte completa già un mese dopo la procedura, ma impiega fino a quattro mesi per stabilizzarsi. Un ritardo di quattro mesi non è uno svantaggio se si considera la vita della persona rinchiusa che si aspetta di muoversi o parlare di nuovo.

Rischi chirurgici

I rischi legati all’impianto sono quelli solitamente associati alla chirurgia cerebrale, vale a dire la possibilità di sanguinamento, infezione, convulsioni, ictus e danni cerebrali. Fino a quando la tecnologia non avanzerà al punto da ridurre considerevolmente questi rischi, la procedura sarà riservata a casi estremi o sperimentali. Solo uno dei sei pazienti di Neural Signals, il dottor Kennedy stesso, ha avuto complicazioni. Ha sperimentato un episodio di breve durata di crisi motorie focali e gonfiore del cervello che ha portato a una temporanea debolezza sul lato controlaterale del corpo.

Guasto del dispositivo

Quando Johnny Ray è stato impiantato nel 1998, uno degli elettrodi neurotrofici ha iniziato a fornire un segnale intermittente dopo essersi ancorato al neuropilo e, di conseguenza, il dottor Kennedy è stato costretto a fare affidamento sui dispositivi rimanenti. Ciò era dovuto a un problema con l’elettronica, NON con l’elettrodo. Pertanto, anche se non ci sono complicazioni dovute all’intervento chirurgico, c’è ancora la possibilità che l’elettronica fallisca. È facile cambiare l’elettronica. Inoltre, mentre gli impianti stessi sono racchiusi nel cranio e sono quindi relativamente al sicuro da danni fisici, l’elettronica all’esterno del cranio sotto il cuoio capelluto è vulnerabile. Due dei pazienti del dottor Kennedy causarono accidentalmente danni durante gli spasmi, ma in entrambi i casi era necessario sostituire solo i dispositivi esterni.

Applicazioni future

Neuroprotesi

A partire da novembre 2010, il Dr. Kennedy sta lavorando all’applicazione di sintesi vocale dell’elettrodo, ma ha in programma di espandere i suoi usi a molte aree diverse, una delle quali è il ripristino del movimento con le neuroprotesi .

Discorso muto

Il discorso silenzioso è “l’elaborazione del parlato in assenza di un segnale acustico intelligibile” da utilizzare principalmente come ausilio per la persona rinchiusa. Il discorso muto è stato decodificato con successo [12] . Un obiettivo secondario è quello di utilizzare il parlato udibile o muto come un “telefono cellulare sotto il cuoio capelluto con gli elettrodi che entrano nella corteccia motoria del linguaggio”, cioè come un oggetto di consumo. Secondo Phil Kennedy,

Il lettore può indietreggiare a un’idea del genere. Ma lasciami spiegare. Pensa a tutti i vantaggi di avere un cellulare privato continuamente accessibile nel tuo corpo. Vale a dire: “Devo contattare tal dei tali, devo fare una domanda a Siri, devo accedere al cloud e ricevere informazioni, devo eseguire un calcolo utilizzando l’accesso al cloud, devo usare Internet, devo ho bisogno di sapere cosa stanno facendo le mie azioni, ho bisogno di sapere dove sono i miei figli, sono caduto e devo contattare l’EMS e così via. Posso mandare loro un messaggio o posso chiamarli solo con un pensiero, non c’è bisogno di trovare il mio telefono e toccarlo. Il cellulare sotto il cuoio capelluto aggirerà quel passaggio. Fornirà comunicazioni continue a piacimento e può essere disattivato a piacere. Inoltre, vale la pena ricordare che la storia mostra che le persone non disdegnano dispositivi per loro impercettibili, ovvero, impiantato sotto la pelle o il cuoio capelluto. Si consideri come i pacemaker cardiaci furono rifiutati per la prima volta perché erano ingombranti e dovevano essere portati fuori dal corpo. Ora sono totalmente impiantati e regolarmente prescritti ai pazienti. A mio modo di pensare, anche questo spiacevole sviluppo è inevitabile.

Quindi la mia previsione è che dall’assistere le persone bisognose, si procede ad aiutare le persone con un prodotto di consumo. Analogamente, se le persone bisognose sono la coda del cane (l’intero cane è tutta l’umanità) allora invece del cane che scodinzola, la coda scodinzolerà il cane!


https://en.wikipedia.org/wiki/Neurotrophic_electrode

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