La microelettronica fa luce sul comportamento dei neuroni
Ricercatori dell'ETH di Zurigo - in collaborazione con colleghi dell'EPF di Losanna e della Harvard Medical School - hanno sviluppato un sistema che può essere utilizzato per stimolare otticamente singole fibre nervose in topi vivi. Ciò ha dimostrato che il sistema nervoso ha un effetto diretto sul sistema immunitario.
Negli ultimi dieci anni, un nuovo metodo ha letteralmente fatto luce sul cervello: la cosiddetta optogenetica permette di stimolare in modo specifico le cellule nervose geneticamente modificate e di studiare in dettaglio le loro funzioni nella complessa rete all'interno del cranio. La tecnica rappresenta una rivoluzione per le neuroscienze, ma finora poteva essere utilizzata solo per studiare il sistema nervoso centrale. Il sistema nervoso periferico è rimasto escluso.
Miniaturizzazione grazie alla tecnologia dei chip
Ora un team di elettrotecnici guidati da Qiuting Huang, professore presso l'Istituto di Sistemi Integrati dell'ETH di Zurigo, insieme a ricercatori dell'EPF di Losanna e della Harvard Medical School, ha progettato un sistema che collega diodi a emissione luminosa (LED) impiantabili a un piccolo dispositivo indossato sulla testa, che a sua volta può essere controllato via Bluetooth da un tablet. Gli scienziati hanno utilizzato questo sistema per stimolare in modo molto preciso singole fibre nervose nel corpo di topi che si muovono liberamente, come riportano nella rivista Natura Biotecnologia rapporto.
"Il nostro obiettivo era quello di sviluppare la piattaforma integrata più piccola possibile. Il chip, la batteria e l'antenna per la trasmissione del segnale wireless pesano insieme poco più di un grammo e sono più piccoli di un centimetro cubo", spiega Huang. Sebbene la tecnologia dei chip consenta elevate densità di integrazione per i circuiti elettronici, la miniaturizzazione ha i suoi limiti, soprattutto quando si tratta di batterie: più piccolo è il volume, maggiore è la densità di energia. Questo aumenta anche il rischio che la batteria prenda fuoco. "Per questo ci stiamo concentrando su componenti che consumino meno energia possibile", spiega Huang.
In origine, la piattaforma era stata progettata per un progetto di misurazione della saturazione dell'ossigeno e della pressione sanguigna, ma fin dall'inizio la progettazione del chip si è concentrata sulla più ampia applicabilità possibile. "Poiché il nostro sistema è programmabile, siamo stati in grado di convertire i circuiti elettronici che avevamo previsto all'epoca per il calcolo della saturazione di ossigeno nel sangue per controllare i LED impiantati", spiega Philipp Sch?nle. Egli ha svolto un ruolo chiave nello sviluppo della nuova neurotecnologia per la sua tesi di dottorato nel gruppo di Huang.
Come se fossero fatti l'uno per l'altro
Il pagina esternaCollaborazione con il gruppo di Stéphanie Lacour all'EPF di Losanna è in funzione da più di cinque anni. "La nostra elettronica sofisticata e i sensori bioelettronici morbidi sono fatti l'uno per l'altro", afferma Huang. I progressi della scienza dei materiali e dell'ingegneria elettrotecnica si basano l'uno sull'altro - e sono collegati tra loro. "Insieme, abbiamo sviluppato un approccio che consente di eccitare qualsiasi corda nervosa del corpo del topo in punti precisi e definiti nel tempo", afferma Sch?nle.
Alla Harvard Medical School di Boston, il gruppo di ricerca di Clifford Woolf ha avvolto gli impianti intorno al nervo sciatico. Senza danneggiare il nervo, sono stati in grado di attivare ripetutamente specifiche cellule nervose, note come nocicettori, specializzate nella trasmissione di segnali di dolore, con lampi di luce blu per un periodo di diversi giorni. I ricercatori hanno scoperto con sorpresa che la ripetuta stimolazione ottica di questi nocicettori produceva un leggero arrossamento nella zampa posteriore del topo, un chiaro segno di infiammazione.
Finora, gli scienziati avevano dato per scontato che il dolore e l'infiammazione fossero due processi diversi che insorgevano indipendentemente l'uno dall'altro. "Tuttavia, ora siamo riusciti a dimostrare chiaramente che i neuroni responsabili della percezione del dolore possono anche innescare una risposta immunitaria infiammatoria", afferma Woolf. I risultati hanno quindi il potenziale per indicare nuovi approcci per il trattamento del dolore cronico o dell'infiammazione persistente, ad esempio, affermano i ricercatori nel loro articolo.
Il valore dell'elettronica per la salute
In futuro, l'elettrotecnica potrà dare un contributo sempre maggiore alla salute umana, afferma Huang. Il termine "elettroceutica", ovvero la combinazione di elettronica e farmaceutica, è già in voga nei circoli specializzati. Ma oggi, quando gran parte dell'umanità ha a disposizione smartphone molto complessi ma poco costosi, purtroppo si dimentica troppo spesso che i progressi dell'elettrotecnica possono essere raggiunti solo con un grande sforzo. "Questo lavoro di sviluppo scrupoloso e meticoloso spesso non viene stimato abbastanza", afferma Huang.
Letteratura di riferimento
Michoud F, Seehus C, Sch?nle P, Brun N, Taub D, Zhang Z, Jain A, FurfaroI, Akouissi O, Moon R, Meier P, Galan K, Doyle B, Tetreault M, Talbot S, Browne LE, Huang Q, Woolf CJ, Lacour SP. L'attivazione optogenetica epineurale dei nocicettori avvia e amplifica l'infiammazione. Natura Biotecnologia(2020). doi: pagina esterna10.1038/s41587-020-0673-2.