Impianto cerebrale wireless ricaricabile


Impianto cerebrale wireless ricaricabile

Un gruppo di ricercatori e collaboratori KAIST ha progettato un minuscolo impianto cerebrale che può essere ricaricato in modalità wireless dall'esterno del corpo per controllare i circuiti cerebrali per lunghi periodi di tempo senza sostituire la batteria.

Il dispositivo è costruito con polimeri ultra morbidi e biocompatibili per aiutare a fornire compatibilità a lungo termine con i tessuti. Dotato di LED di dimensioni micrometriche (equivalenti alla dimensione di un granello di sale) montati su sonde ultrasottili (lo spessore di un capello umano), può manipolare in modalità wireless i neuroni bersaglio nel cervello profondo usando la luce.

Questo studio, guidato dal professor Jeong, Jae-Woong, (1) è un passo avanti rispetto al dispositivo neurale per impianto wireless montato sulla testa che ha sviluppato nel 2019. Quella versione precedente poteva fornire indefinitamente più farmaci e trattamenti di stimolazione della luce in modalità wireless utilizzando uno smartphone.

Per la nuova versione aggiornata, il team di ricerca ha ideato un sistema optoelettronico morbido e completamente impiantabile che può essere controllato a distanza e selettivamente da uno smartphone. Questa ricerca è stata pubblicata su Nature Communications. (2)

La nuova tecnologia di ricarica wireless affronta i limiti degli attuali impianti cerebrali. Le tecnologie dei dispositivi impiantabili wireless sono recentemente diventate popolari come alternative agli impianti tethered convenzionali, perché aiutano a ridurre al minimo lo stress e l'infiammazione negli animali che si muovono liberamente durante gli studi sul cervello, il che a sua volta aumenta la durata dei dispositivi. Tuttavia, tali dispositivi richiedono interventi chirurgici intermittenti per sostituire le batterie scariche o configurazioni di alimentazione wireless speciali e ingombranti, che limitano le opzioni sperimentali e la scalabilità degli esperimenti sugli animali.

«Questo potente dispositivo elimina la necessità di ulteriori interventi chirurgici dolorosi per sostituire una batteria scarica nell'impianto, consentendo una neuromodulazione cronica senza interruzioni», ha affermato il professor Jeong. «Riteniamo che la stessa tecnologia di base possa essere applicata a vari tipi di impianti, inclusi stimolatori cerebrali profondi e pacemaker cardiaci e gastrici, per ridurre il carico sui pazienti per l'uso a lungo termine all'interno del corpo».

Per consentire la ricarica e i controlli wireless della batteria, i ricercatori hanno sviluppato un piccolo circuito che integra un raccoglitore di energia wireless con un'antenna a bobina e un chip Bluetooth a basso consumo energetico. Un campo magnetico alternato può penetrare in modo innocuo attraverso i tessuti e generare elettricità all'interno del dispositivo per caricare la batteria. Quindi l'impianto Bluetooth alimentato a batteria fornisce modelli di luce programmabili alle cellule cerebrali utilizzando un'app per smartphone “facile da usare” per il controllo del cervello in tempo reale.

«Questo dispositivo può essere utilizzato ovunque e in qualsiasi momento per manipolare i circuiti neurali, il che lo rende uno strumento altamente versatile per indagare sulle funzioni cerebrali», ha detto l'autore principale Choong Yeon Kim, ricercatore presso KAIST.

I neuroscienziati hanno testato con successo questi impianti nei ratti e hanno dimostrato la loro capacità di sopprimere il comportamento indotto dalla cocaina dopo che i ratti sono stati iniettati con la cocaina. Ciò è stato ottenuto mediante una precisa stimolazione della luce dei neuroni bersaglio rilevanti nel loro cervello utilizzando i LED controllati dallo smartphone. Inoltre, la batteria negli impianti poteva essere ricaricata ripetutamente mentre i ratti si comportavano liberamente, riducendo così al minimo qualsiasi interruzione fisica agli esperimenti.

«La ricarica wireless della batteria rende le procedure sperimentali molto meno complicate», ha detto il co-autore principale Min Jeong Ku, ricercatore presso il College of Medicine della Yonsei University.

«Il fatto che possiamo controllare un comportamento specifico degli animali, fornendo la stimolazione della luce nel cervello solo con una semplice manipolazione dell'app per smartphone, guardando gli animali che si muovono liberamente nelle vicinanze, è molto interessante e stimola molta immaginazione», ha detto Jeong-Hoon Kim, professore di fisiologia presso il College of Medicine della Yonsei University. «Questa tecnologia faciliterà varie vie di ricerca sul cervello».

I ricercatori ritengono che questa tecnologia di impianto cerebrale possa portare a nuove opportunità per la ricerca sul cervello e l'intervento terapeutico per il trattamento di malattie nel cervello e in altri organi.

Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni dalla National Research Foundation of Korea e dal KAIST Global Singularity Research Program.

Informazioni su KAIST (3)

The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) è la prima e la migliore università di scienza e tecnologia in Corea. KAIST è stata fondata nel 1971 dal governo coreano per educare scienziati e ingegneri impegnati nell'industrializzazione e nella crescita economica della Corea.

Da allora, KAIST ei suoi 64.739 laureati sono stati la porta di accesso a scienza e tecnologia avanzate, innovazione e imprenditorialità. KAIST è emersa come una delle università più innovative con oltre 10.000 studenti iscritti in cinque college e sette scuole, inclusi 1.039 studenti internazionali provenienti da 90 paesi.

Alla vigilia del suo semicentenario nel 2021, KAIST continua a impegnarsi per migliorare il mondo attraverso la ricerca nell'istruzione, nella ricerca, nell'imprenditorialità e nella globalizzazione.

Riferimenti:

(1) Jeong, Jae-Woong

(2) Soft subdermal implant capable of wireless battery charging and programmable controls for applications in optogenetics

(3) The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)

Descrizione foto: Immagine ottica di un sistema optoelettronico morbido, ricaricabile in modalità wireless, tenuto con le dita. Il dispositivo emette luce blu dalle sue sonde bilaterali. - Credit: The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Wirelessly Rechargeable Soft Brain Implant Controls Brain Cells?

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