Polvere intelligente che spia il tuo cervello
Da qualche parte, qualcosa di incredibile è in attesa di essere scoperto.
(Carl Sagan)
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Polvere intelligente
Il monitoraggio in tempo reale delle funzioni cerebrali ha fatto passi da gigante negli ultimi anni. Ciò è dovuto in gran parte alle varie nuove tecnologie in grado di monitorare il comportamento collettivo di gruppi di neuroni, come la risonanza magnetica funzionale, la magnetoencefalografia e la tomografia a emissione di positroni.
Questo lavoro sta rivoluzionando la nostra comprensione della struttura e del funzionamento del cervello. Ha anche portato alla nascita di una nuova disciplina ingegneristica, quella delle interfacce cervello-macchina, che consente alle persone di controllare le macchine con il solo pensiero.
Per quanto impressionanti, queste tecniche presentano tutte dei limiti intrinseci, quali una risoluzione spaziale limitata, una scarsa portabilità e un’estrema invasività.
Oggi, Dongjin Seo e i suoi colleghi dell’Università della California Berkeley rivelano un modo completamente nuovo di studiare e interagire con il cervello. La loro idea è quella di spargere sensori elettronici delle dimensioni di particelle di polvere nella corteccia cerebrale e di interrogarli a distanza utilizzando gli ultrasuoni. Gli ultrasuoni alimentano anche questa cosiddetta polvere neurale.
Ogni particella di polvere neurale è costituita da circuiti CMOS standard e sensori che misurano l’attività elettrica dei neuroni circostanti. È accoppiata a un materiale piezoelettrico che converte le onde sonore ad altissima frequenza in segnali elettrici e viceversa.
La polvere neurale viene interrogata da un altro componente posto sotto la bilancia ma alimentato dall’esterno del corpo. Questo genera gli ultrasuoni che alimentano la polvere neurale e i sensori che ne ascoltano la risposta, un po’ come un sistema RFID.
Il sistema è anche senza fili: i dati vengono raccolti e memorizzati all’esterno del corpo per essere analizzati in un secondo momento.
Questo permette di aggirare molte delle limitazioni. Il sistema consuma meno energia, può avere un’alta risoluzione spaziale ed è facilmente trasportabile. È anche robusto e può potenzialmente fornire un collegamento per lunghi periodi di tempo. “Uno dei principali ostacoli nelle interfacce cervello-macchina (BMI) è la mancanza di un sistema di interfaccia neurale impiantabile che rimanga funzionante per tutta la vita”, affermano Seo e colleghi.
1307.2196v1La difficoltà sta nel progettare e costruire un sistema di questo tipo e l’articolo odierno è uno studio teorico di queste sfide. Il primo problema è quello di progettare e costruire particelle di polvere neurale su una scala di circa 100 micrometri in grado di inviare e ricevere segnali nell’ambiente ostile, caldo e rumoroso all’interno del corpo.
Ecco perché Seo e colleghi hanno scelto gli ultrasuoni per inviare e ricevere dati. Hanno calcolato che la potenza necessaria per utilizzare onde elettromagnetiche su tale scala genererebbe una quantità di calore dannosa a causa dell’energia assorbita dal corpo e dei rapporti segnale-rumore problematici a tale scala.
Al contrario, gli ultrasuoni sono molto più efficienti e dovrebbero consentire la trasmissione di una potenza almeno 10 milioni di volte superiore rispetto alle onde elettromagnetiche alla stessa scala.
Il problema successivo è quello di collegare l’elettronica al sistema piezoelettrico che converte gli ultrasuoni in segnali elettronici e viceversa. Garantire che il sistema funzioni in modo efficiente sarà complicato, dato che deve essere racchiuso in un polimero inerte o in una pellicola isolante (che deve anche esporre gli elettrodi di registrazione ai neuroni vicini).
Infine, c’è la sfida di progettare e costruire il sistema di interrogazione che genera gli ultrasuoni per alimentare l’intero array, ma con una potenza sufficientemente bassa da evitare il riscaldamento del cranio e del cervello.
A tutto ciò si aggiunge l’ulteriore sfida di impiantare le particelle di polvere neurale nella corteccia cerebrale. Seo e colleghi sostengono che ciò sia probabilmente possibile fabbricando le particelle di polvere sulle punte di una sottile matrice metallica, mantenute in posizione dalla tensione superficiale, ad esempio. Questa matrice verrebbe immersa nella corteccia cerebrale, dove le particelle di polvere rimarrebbero incastrate.
Si tratta di una visione ambiziosa, costellata di sfide che vanno oltre lo stato dell’arte. Tuttavia, il team vanta una solida esperienza nei sistemi nanoelettromeccanici e nell’interfaccia tra sistemi elettronici e cellule.
Infatti, uno degli autori, Michel Maharbiz, ha sviluppato alcuni anni fa il primo coleottero telecomandato al mondo, un’invenzione che è stata inserita dalla rivista Technology Review tra le 10 tecnologie emergenti del 2009.
Questi ragazzi chiaramente non hanno paura di affrontare grandi sfide. Sarà interessante vedere come se la caveranno.
Dongjin Seo & Jose M. Carmena & Jan M. Rabaey & Elad Alon & Michel M. Maharbiz
Fonte: technologyreview.com & arxiv.org
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