Low-cost monophasic transcranial magnetic stimulator

Il cervello umano è una vasta rete di segnali elettrici e, per decenni, gli scienziati hanno cercato modi per stimolare delicatamente questi segnali dall'esterno del cranio per comprendere come funziona la mente o per trattare condizioni come la depressione. Un metodo potente per farlo è chiamato stimolazione magnetica transcranica. Funziona creando un campo magnetico breve e intenso che attraversa il cranio senza toccarlo. Questo campo magnetico, a sua volta, induce una piccola corrente elettrica nel tessuto cerebrale sottostante, che può risvegliare o silenziare gruppi specifici di neuroni. Sebbene questa tecnica sia diventata uno strumento standard nella ricerca e una terapia approvata per determinate condizioni mediche, le macchine che generano questi impulsi magnetici sono tipicamente massicce, complesse e proibitivamente costose, costando spesso decine di migliaia di dollari. Questo elevato prezzo mantiene la tecnologia fuori dalla portata di molti laboratori didattici universitari, piccoli gruppi di ricerca e scienziati indipendenti che potrebbero voler sperimentare nuovi modi per stimolare il cervello.

Un team di ricercatori della McGill University si è posto l'obiettivo di cambiare questa dinamica costruendo una versione funzionante di questa macchina per una frazione del costo abituale. Hanno creato un dispositivo in grado di erogare lo stesso tipo di impulso magnetico utilizzato negli studi professionali, ma lo hanno costruito utilizzando parti comuni, acquistabili sul mercato, che chiunque con le basi di elettronica potrebbe compraare. L'intera macchina, inclusa la bobina specializzata che viene posizionata contro la testa, è stata costruita per circa 700 dollari. I ricercatori non si sono limitati ad assemblare i componenti; hanno testato rigorosamente il dispositivo per garantire che potesse generare campi magnetici abbastanza forti da poter potenzialmente attivare le cellule cerebrali umane. Il loro lavoro dimostra che la stimolazione cerebrale ad alta potenza non richiede un budget di laboratorio da milioni di dollari, a patto che i costruttori abbiano le giuste conoscenze tecniche e rispetto per i significativi rischi per la sicurezza.

Il nucleo di questo nuovo dispositivo si basa su un concetto semplice ma potente: immagazzinare una grande quantità di energia elettrica e rilasciarla tutta in una volta attraverso una bobina di filo. I ricercatori hanno utilizzato un banco di condensatori, componenti che accumulano carica elettrica proprio come una batteria trattiene l'acqua, per immagazzinare l'energia. Hanno caricato questi condensatori a un voltaggio molto elevato, circa 1.460 volt, utilizzando un circuito di ricarica costruito con un alimentatore standard da 24 volt e un trasformatore specializzato. Una volta che i condensatori erano carichi, il team ha attivato un interruttore chiamato tiristore per rilasciare l'energia immagazzinata in una frazione di secondo. Questo improvviso picco di elettricità è fluito attraverso una bobina avvolta su misura a forma di otto, creando un rapido cambiamento nel campo magnetico. Questa forma specifica e la velocità dell'impulso sono cruciali perché determinano come il campo magnetico interagisce con il cervello. L'impulso risultante è durato circa 90 microsecondi, una durata che i ricercatori hanno calcolato sarebbe efficace per stimolare i neuroni.

La sicurezza è stata una preoccupazione primaria durante tutto il processo di progettazione, dato che il dispositivo immagazzina abbastanza energia da essere letale se maneggiato in modo errato. Il team ha costruito molteplici livelli di protezione per prevenire scosse accidentali o scariche incontrollate. La macchina è alloggiata in una scatola di plastica trasparente in modo che l'operatore possa vedere l'interno mentre è in funzione, e i componenti ad alto voltaggio sono separati dall'elettronica di controllo da barriere fisiche ed elettriche. Per garantire che la macchina non possa essere accesa a meno che non sia sicura, hanno installato degli interblocchi che interrompono l'alimentazione se la scatola viene aperta o se non è presente una seconda persona a tenere un interruttore di sicurezza. Hanno inoltre incluso un lungo bastone isolato con un gancio metallico all'estremità, che permette all'operatore di drenare manualmente l'energia residua dai condensatori da una distanza di sicurezza, senza mai dover aprire la scatola. Queste misure sono state progettate per mitigare i rischi legati al lavoro con tali tensioni e correnti così elevate, che possono raggiungere oltre 5.000 ampere durante il breve momento in cui viene emesso l'impulso.

Per dimostrare che la loro macchina artigianale funzionasse effettivamente, i ricercatori dovevano misurare il campo magnetico prodotto senza fare affidamento su costosi sensori commerciali. Hanno costruito una piccola e semplice bobina sensore e l'hanno spostata in molte diverse posizioni sotto la bobina di stimolazione principale per mappare il campo magnetico. Analizzando come la tensione variava nel loro sensore, hanno calcolato la velocità con cui il campo magnetico stava cambiando, un fattore chiave per determinare quanto sarebbe stata forte la stimolazione nel cervello. Le loro misurazioni hanno mostrato che, alla massima potenza, il dispositivo produceva una variazione del campo magnetico di circa 111 ampere per microsecondo. Quando hanno inserito questi dati in una simulazione al computer di una testa umana, i risultati hanno indicato che il dispositivo poteva generare campi elettrici nel cervello abbastanza forti da superare la soglia media necessaria per attivare i motoneuroni. Nello specifico, la simulazione suggeriva che il dispositivo potesse produrre campi di 159 volt al metro nella parte posteriore della testa e 196 volt al metro lateralmente, entrambi ben al di sopra dei livelli tipicamente richiesti per innescare una risposta nel cervello.

I ricercatori hanno confrontato le prestazioni del loro dispositivo artigianale con i dati di una macchina commerciale per garantire che i loro metodi di misurazione fossero accurati. Hanno scoperto che il loro approccio a basso costo per misurare il campo magnetico era altamente affidabile, con risultati che corrispondevano ai valori riportati dalla macchina commerciale entro un piccolo margine di errore. Questa validazione conferisce fiducia nel fatto che il loro dispositivo artigianale stia operando come previsto. Tuttavia, gli autori sottolineano con cautela che si tratta di un prototipo di ricerca, non di un dispositivo medico approvato per l'uso sull'uomo. Essi evidenziano che, sebbene la macchina sia in grado di generare l'energia necessaria, non è stata testata su persone o animali e manca della validazione clinica richiesta per la terapia. Il dispositivo è destinato all'uso da parte di ricercatori esperti che comprendono l'elettronica ad alta tensione e possono seguire rigorosi protocolli di sicurezza.

Questo progetto rappresenta un passo significativo verso la democratizzazione dell'accesso agli strumenti avanzati di neuroscienza. Dimostrando che un funzionale stimolatore magnetico ad alta potenza può essere costruito al prezzo di poche centinaia di dollari utilizzando componenti accessibili, il team ha aperto la porta ad altri scienziati per sperimentare tecniche di stimolazione cerebrale. Il loro lavoro prova che la barriera all'ingresso in questo campo non è solo la complessità della fisica, ma è in gran parte legata al costo delle apparecchiature. Sebbene il dispositivo non sia ancora pronto per l'uso clinico, esso offre una piattaforma a basso costo e molto potente per i ricercatori che desiderano studiare come diverse forme di impulso e design delle bobine influenzino il cervello, portando potenzialmente a nuove scoperte su come comprendiamo e trattiamo le condizioni neurologiche. Il successo di questa costruzione suggerisce che, con una progettazione attenta e un impegno per la sicurezza, gli strumenti della moderna neuroscienza possono essere portati a portata di mano di una comunità di scienziati molto più ampia.