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Aug 05, 2023

Un sistema di sonde spinali minuscolo e flessibile potrebbe portare a terapie migliori

Il midollo spinale è più difficile da accedere e studiare rispetto al cervello. Le sfide poste dalla sua mobilità e dalla struttura anatomica hanno reso difficile comprendere esattamente come funziona. Riso

Il midollo spinale è più difficile da accedere e studiare rispetto al cervello. Le sfide poste dalla sua mobilità e dalla struttura anatomica hanno reso difficile comprendere esattamente come funziona.

Gli ingegneri della Rice University lavoreranno con i collaboratori per ottimizzare una serie di fili nanoelettronici, o NET ⎯ già utilizzati con successo per raccogliere dati ad alta fedeltà e a lungo termine dai neuroni del cervello ⎯ per l'uso nella colonna vertebrale, supportati da un finanziamento di 6,25 milioni di dollari, quattro borsa di studio annuale da parte del National Institutes of Health.

Oltre alle registrazioni dell'attività neuronale, le sonde NET possono fornire una stimolazione localizzata e sintonizzabile dei neuroni adiacenti. I neuroingegneri della Rice sperano anche di massimizzare la larghezza di banda funzionale dei NET integrandoli in un sistema di elaborazione dati su scala più ampia.

Il nuovo strumento potrebbe aiutare i neuroscienziati a svelare i segreti della funzione del midollo spinale e portare nuova speranza ai pazienti che affrontano lesioni e altre condizioni mediche associate.

"Finora non abbiamo avuto una buona comprensione di come funzionano effettivamente i neuroni nel midollo spinale", ha detto Chong Xie, il ricercatore principale della borsa di studio e professore associato di ingegneria elettrica e informatica e neuroingegneria. “Ad esempio, se muovi le braccia o cammini, hai l’intenzione nel cervello e i muscoli funzionano esattamente come vuoi. Questa conversione dell'intenzione iniziale in movimenti specifici di ciascun muscolo viene effettuata e implementata nel midollo spinale, dove circuiti costituiti da moltissimi neuroni sono responsabili di svolgere questo lavoro. Ma non sappiamo esattamente come si raggiunga questo obiettivo”.

L’uso degli elettrodi per monitorare l’attività neuronale nel cervello ha consentito ai neuroscienziati di imparare molto sulla funzione cerebrale. Le sonde NET flessibili sviluppate da Xie e collaboratori si integrano perfettamente con il tessuto cerebrale e funzionano meglio delle sonde rigide quando vengono utilizzate per registrare informazioni elettriche dai singoli neuroni nel cervello.

Test preliminari hanno dimostrato che le sonde NET possono ottenere registrazioni di alta qualità e di lunga durata dai neuroni del midollo spinale dei topi. Tuttavia, gli scienziati intendono adattare ulteriormente i NET alle specifiche esigenze strutturali e funzionali del midollo spinale.

Nel cervello, la distribuzione dei neuroni, o materia grigia, e dei fasci di fibre nervose conosciuti come materia bianca è esattamente l’inverso dell’anatomia del midollo spinale.

"Normalmente ci riferiamo a questo come all'"anatomia rovesciata" del midollo spinale", ha affermato Lan Luan, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica e co-investigatore della borsa di studio. “Lo strato esterno del cervello ⎯ la materia grigia ⎯ è dove si trovano i neuroni, mentre le fibre chiamate materia bianca si trovano all’interno. Nel midollo spinale, la sostanza bianca o le fibre si trovano all'esterno e proteggono i neuroni. Ciò rende l’accesso a quei neuroni più difficile”.

Per garantire un migliore accesso, gli scienziati intendono sviluppare un design della sonda sufficientemente piccolo da poter essere impiantato in diversi siti della colonna vertebrale, ma con una copertura più profonda e canali sufficienti per acquisire dati dai neuroni in una sezione trasversale del midollo spinale.

Un altro obiettivo è dotare le sonde di capacità di stimolazione oltre alla funzione di registrazione.

"L'elettrodo può fare entrambe le cose", ha detto Luan. “Ciò ha una rilevanza diretta per la salute, perché per i pazienti con lesioni del midollo spinale o altri tipi di lesioni, la stimolazione potrebbe essere un modo per ripristinare il controllo motorio. Esistono diverse tecnologie di grande successo che dimostrano che la stimolazione del midollo può ripristinare i movimenti locali. Ma per avere un controllo motorio più preciso, crediamo che sia necessario entrare nel midollo e avere un maggiore grado di accesso e precisione per applicare questa stimolazione”.

Il midollo spinale svolge un ruolo significativo nei processi del dolore, quindi identificare quali neuroni spinali sono direttamente coinvolti nella trasmissione del segnale del dolore potrebbe aprire la porta a migliori terapie di gestione del dolore.

"L'identificazione del tipo specifico di neuroni spinali che svolgono un ruolo significativo nell'elaborazione delle informazioni sul dolore potrebbe potenzialmente consentire lo sviluppo di farmaci che colpiscono proprio quelle cellule", ha detto Xie. "O forse possiamo usare gli elettrodi per stimolare quei neuroni e modulare la loro attività in modo che non trasmettano il segnale del dolore al cervello."