Un gruppo di ricercatori della University of California – Berkeley ha realizzato un dispositivo senza fili che è in grado di monitorare l’attività elettrica del cervello e in caso di necessità può effettuare una stimolazione attraverso l’erogazione di una corrente elettrica. Il neurostimolatore, denominato WAND, funziona come un “pacemaker per il cervello” e potrebbe essere utile nella realizzazione di nuovi trattamenti per i pazienti affetti da epilessia e morbo di Parkinson. Questo dispositivo potrebbe essere estremamente efficace nel prevenire tremori debilitanti o convulsioni nei pazienti affetti da una varietà di condizioni neurologiche. I segnali elettrici caratteristici che precedono una convulsione o un tremore possono essere estremamente difficili da distinguere pertanto, la frequenza e l’intensità della stimolazione elettrica necessarie per impedire tali eventi devono essere sintonizzate in maniera fine.
I medici potrebbero impiegare diversi anni di messa a punto dei dispositivi prima di ottenere i trattamenti ottimali. WAND (wireless artifact-free neuromodulation device) è wireless e agisce autonomamente, ciò significa che il dispositivo non appena impara a riconoscere i segni delle convulsioni o dei tremori è in grado di regolare i parametri della stimolazione elettrica senza alcun intervento esterno in modo da evitare i movimenti indesiderati. Infine, poiché si tratta di un ciclo chiuso (il dispositivo può stimolare il cervello e registrare contemporaneamente i dati) è in grado di regolare tali parametri in tempo reale.
«Il processo per trovare la terapia giusta per un paziente è estremamente costoso e può richiedere anni. Una significativa riduzione del costo e della durata può potenzialmente portare ad un’accessibilità e a dei risultati notevolmente migliorati» scrive Rikky Muller Prof. di ingegneria elettrica e informatica presso l’Università della California, Berkeley. «Vogliamo consentire al dispositivo di capire qual è il modo migliore per stimolare un determinato paziente ottenendo i migliori risultati. Questo si può fare soltanto ascoltando e registrando le firme neurali» prosegue il ricercatore.
WAND può registrare l’attività elettrica su 128 canali o da 128 punti nel cervello rispetto agli 8 canali presenti in altri sistemi a circuito chiuso. Per mettere alla prova il dispositivo, il team ha utilizzato WAND per riconoscere e ritardare specifici movimenti del braccio nei macachi rhesus. Il dispositivo è stato descritto in uno studio pubblicato sulla rivista Nature Biomedical Engineering.
Increspature in uno stagno
Stimolare il cervello e registrarne contemporaneamente i segnali elettrici è molto simile nel cercare di vedere piccole increspature in uno stagno mentre si sbattono i piedi nell’acqua, i segnali elettrici del cervello sono sopraffatti dai grandi impulsi generati dall’elettrostimolazione.
Attualmente, gli stimolatori cerebrali profondi mentre effettuano la stimolazione elettrica interrompono la registrazione oppure effettuano la registrazione in una parte diversa del cervello rispetto alla zona in cui viene applicata la stimolazione. Essenzialmente è come misurare le piccole increspature dell’acqua in un punto diverso nello stagno rispetto al punto dove vengono generati gli spruzzi.
«Al fine di fornire terapie basate su stimolazioni a circuito chiuso, uno dei grandi obiettivi per le persone che trattano il morbo di Parkinson e l’epilessia e una varietà di disturbi neurologici, è molto importante eseguire registrazioni neurali e stimolazioni simultaneamente, cosa che attualmente nessun singolo dispositivo in commercio è in grado di fare» scrive Samantha Santacruz, Prof. presso l’Università del Texas di Austin.
I ricercatori di Cortera neurotechnologies, Inc., coordinati da Rikky Muller, hanno progettato i circuiti integrati di WAND in grado di registrare il segnale completo proveniente sia dalle onde cerebrali sia dagli impulsi elettrici forti. Il design dei circuiti integrati permette a WAND di sottrarre il segnale delle onde cerebrali dagli impulsi elettrici dell’elettrostimolazione, in questo modo si ottiene il segnale pulito dalle onde del cervello.
I dispositivi esistenti sono sintonizzati per registrare i segnali solo delle onde cerebrali (si tratta di segnali cioè che hanno un’intensità debole) e sono sopraffatti dagli impulsi dell’elettrostimolazione, rendendo impossibile questo tipo di ricostruzione del segnale.
«Poiché siamo in grado effettivamente di stimolare e registrare nella stessa regione del cervello, sappiamo esattamente cosa sta succedendo quando stiamo somministrando una terapia» scrive Muller. Il team di ricercatori ha costruito un dispositivo / piattaforma wireless con capacità computazionali a circuito chiuso che possono essere programmate per essere utilizzate in una varietà di ricerca e applicazioni cliniche.
Negli esperimenti condotti da Santacruz mentre lavorava ancora all’Università di Berkeley insieme al Prof. Jose Carmena i soggetti che hanno partecipato agli esperimenti sono stati addestrati a utilizzare un joystick per spostare un cursore in una posizione specifica. Dopo un periodo di addestramento, il dispositivo WAND è stato in grado di rilevare le firme neurali dei soggetti addestrati ad effettuare il movimento e di erogare l’elettrostimolazione nei soggetti che hanno avuto un ritardo nei movimenti. «In futuro ci proponiamo di integrare l’apprendimento nella nostra piattaforma a circuito chiuso per costruire dispositivi intelligenti che siano in grado di capire come trattare al meglio i pazienti senza la necessità dell’intervento medico in questo processo» scrive Muller.
Lo studio “A wireless and artefact-free 128-channel neuromodulation device for closed-loop stimulation and recording in non-human primates” è stato pubblicato sulla rivista Nature Biomedical Engineering.