CMU Array ha il potenziale per cambiare il modo in cui i medici trattano le malattie neurologiche

CMU Array ha il potenziale per cambiare il modo in cui i medici trattano le malattie neurologiche

I ricercatori della Carnegie Mellon University hanno sviluppato il CMU Array, un nuovo tipo di array di microelettrodi per piattaforme di interfaccia cervello-computer. Ha il potenziale per trasformare il modo in cui i medici possono trattare i disturbi neurologici.

L’array di microelettrodi ad altissima densità (MEA) stampato in 3D su scala nanometrica è completamente personalizzabile. Ciò significa che i pazienti che soffrono di epilessia o di perdita della funzionalità degli arti a causa di un ictus potrebbero un giorno ricevere un trattamento medico personalizzato adattato alle loro esigenze individuali.

La collaborazione riunisce le competenze di Rahul Panat, professore associato di ingegneria meccanica, e Eric Yttri, assistente professore di scienze biologiche. Il team ha applicato la più recente tecnica di microfabbricazione, la stampa 3D a getto di aerosol, per creare array che hanno superato le principali barriere progettuali di altri array BCI (Brain Computer Interface). I risultati sono stati pubblicati su Science Advances.

La stampa 3D a getto di aerosol offriva tre vantaggi principali. Gli utenti possono personalizzare i propri MEA in base alle proprie esigenze specifiche; i MEA possono agire tridimensionalmente nel cervello; e la densità del MEA è aumentata e quindi più robusta”.

Rahul Panat, Professore associato di ingegneria meccanica, Carnegie Mellon University

Le BCI basate su MEA collegano i neuroni nel cervello con l’elettronica esterna per monitorare o stimolare l’attività cerebrale. Sono spesso utilizzati in applicazioni come dispositivi neuroprotesici, arti artificiali e impianti visivi per trasportare informazioni dal cervello alle estremità che hanno perso funzionalità. Le BCI hanno anche potenziali applicazioni nel trattamento di disturbi neurologici come l’epilessia, la depressione e il disturbo ossessivo-compulsivo. Tuttavia, i dispositivi esistenti presentano dei limiti.

Esistono due tipi di dispositivi BCI popolari. Il MEA più antico è lo Utah Array, sviluppato presso l’Università dello Utah e brevettato nel 1993. Questo array a base di silicone utilizza una serie di minuscoli perni, o alberi, che possono essere inseriti direttamente nel cervello per rilevare le scariche elettriche dai neuroni sulla punta di ciascun perno.

Un altro tipo è l'array Michigan, che è stampato su chip di silicio piatti e sensibili. Legge gli elettroni mentre attraversano i chip. A causa di limitazioni di progettazione, entrambi gli array possono registrare solo su un piano bidimensionale. Ciò significa che non possono essere personalizzati in base alle esigenze di ogni singolo paziente o applicazione.

L'aspetto più importante di un MEA è la sua capacità di rilevamento tridimensionale, che è limitata dalla densità dei microelettrodi nella serie e dalla capacità di posizionare queste serie esattamente dove si desidera rilevare. Le moderne tecniche di fabbricazione MEA hanno fatto enormi progressi nella densità di questi array di microelettrodi. L'aggiunta della terza dimensione aumenta significativamente la capacità di campionamento degli array. Inoltre, MEA personalizzati per ciascuna applicazione specifica consentono misurazioni più accurate e affidabili.

L'array CMU dei ricercatori è il BCI più denso, circa un ordine di grandezza più denso dei BCI dell'array dello Utah.

Sono richiesti MEA di qualità superiore. I MEA utilizzati per controllare azioni virtuali su computer o movimenti complessi degli arti stanno raggiungendo i limiti della tecnologia attuale. Le applicazioni più avanzate richiedono MEA personalizzati per ciascun individuo e con una fedeltà molto più elevata rispetto a quelli attualmente disponibili.

“Entro pochi giorni, ora possiamo produrre un dispositivo di medicina di precisione su misura per le esigenze di un paziente o di uno sperimentatore”, afferma Yttri, co-autore senior dello studio. Inoltre, mentre tecnologie come la stimolazione della corteccia visiva e il controllo degli arti artificiali vengono utilizzate con successo dal pubblico, la capacità di personalizzare il sistema di controllo nel cervello potrebbe aprire la strada a enormi progressi nel campo.

Panat prevede che potrebbero volerci cinque anni per raggiungere la sperimentazione umana e anche di più per raggiungere l’uso commerciale. Il team è entusiasta di mettere questo processo di successo a disposizione di altri ricercatori sul campo per iniziare a testare una varietà di applicazioni.

È in attesa di brevetto l'architettura e il processo di produzione dell'array CMU. Il prossimo passo, ha affermato Panat, è collaborare con il National Institutes of Health (NIH) e altri partner commerciali per trasferire questi risultati ad altri laboratori il più rapidamente possibile e richiedere finanziamenti per commercializzare questa tecnologia.

La ricerca è finanziata dall’iniziativa Brain Research Through Advancing Innovation Neurotechnologies (BRAIN) del NIH.

Fonte:

Facoltà di Ingegneria, Carnegie Mellon University

Riferimento:

Saleh, MS et al. (2022) CMU Array: una piattaforma di array di microelettrodi ad alta densità nanostampata in 3D, completamente personalizzabile. Progressi scientifici. doi.org/10.1126/sciadv.abj4853.

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