Stimulation-Stability and Preclinical Bench Testing of a New Auditory Nerve Interface

Per milioni di persone che vivono con una perdita dell'udito profonda, la promessa di un impianto cocleare è un'ancora di salvezza. Questi dispositivi, spesso definiti come la tecnologia di interfaccia neurale più riuscita mai creata, aggirano le parti danneggiate dell'orecchio per inviare segnali elettrici direttamente al nervo acustico, permettendo al cervello di percepire il suono. Tuttavia, nonostante tutto il loro successo, questi impianti hanno un limite. Sebbene ripristinino la capacità di sentire il parlato in stanze silenziose, l'esperienza spesso si rivela insufficiente quando il rumore di fondo aumenta o quando si cerca di godere delle sfumature della musica. Questo limite deriva dal modo in cui i dispositivi funzionano: essi risiedono all'interno del guscio osseo dell'orecchio interno e devono spingere la corrente elettrica attraverso quell'osso duro per raggiungere il nervo. È come cercare di parlare a qualcuno attraverso un muro spesso; il segnale si diffonde, rendendo difficile colpire con precisione specifici filamenti nervosi.

Per rompere questa barriera, i ricercatori stanno sviluppando un nuovo tipo di protesi uditiva che non si affida alla spinta della corrente attraverso l'osso. Invece, questo nuovo approccio prevede una minuscola matrice di aghi microscopici che penetrano fisicamente nel nervo acustico stesso. Posizionando gli elettrodi direttamente nel tessuto nervoso, il dispositivo mira a stimolare i singoli filamenti nervosi con precisione chirurgica, sbloccando potenzialmente la capacità di sentire suoni complessi e il parlato in ambienti rumorosi. Ma prima che un dispositivo così delicato possa essere testato sugli esseri umani, deve dimostrare di poter sopravvivere nell'ambiente ostile del corpo umano per anni senza guastarsi. Il dispositivo deve rimanere stabile mentre risiede nei fluidi e mentre emette miliardi di impulsi elettrici, un requisito che richiede test rigorosi molto prima che venga coinvolto un singolo paziente.

Un team di ingegneri e scienziati ha recentemente messo alla prova una nuova versione di questa interfaccia nervosa penetrante in una serie di test da banco progettati per simulare anni di utilizzo in poche settimane. Il dispositivo, una collaborazione tra diverse università e aziende di tecnologia medica, consiste in un piccolo chip di silicio che ospita quindici punte microscopiche, note come "shanks", ciascuna con la punta di un elettrodo metallico. Queste punte sono progettate per essere inserite nel nervo acustico, che è largo circa quanto un capello umano. Il chip è collegato tramite un filo flessibile e a spirale a uno stimolatore, simile a quelli attualmente utilizzati negli impianti cocleari standard. I ricercatori volevano sapere due cose critiche: il dispositivo rimarrebbe integro se immerso in un fluido simile a quello corporeo per un anno e mezzo, e gli elettrodi sopravviverebbero allo stress di emettere impulsi elettrici alla massima intensità prevista in un trial umano.

Per rispondere alla prima domanda, il team ha immerso tre dispositivi completamente assemblati in una soluzione salina all'interno di contenitori sigillati. Hanno riscaldato i contenitori a temperature significativamente superiori a quella corporea per accelerare il processo di invecchiamento. Questa tecnica, nota come invecchiamento termico accelerato, ha permesso loro di simulare 1,5 anni di immersione in soli pochi mesi. Hanno monitorato la resistenza elettrica di ogni elettrodo quotidianamente, cercando segni di cedimento della connessione o di corrosione del metallo. Allo stesso tempo, hanno utilizzato potenti microscopi per scattare fotografie ad alta risoluzione delle punte degli elettrodi prima e dopo l'immersione, controllando eventuali crepe fisiche, distacchi o danni al delicato rivestimento metallico.

I risultati del test di immersione sono stati incoraggianti. Al termine del periodo di 1,5 anni simulati, ogni singolo elettrodo è rimasto elettricamente funzionale. Sebbene alcuni abbiano mostrato un picco temporaneo di resistenza che ha brevemente superato il limite di sicurezza, tutti si sono poi stabilizzati a livelli ben al di sotto del punto di guasto. Quando i ricercatori hanno esaminato gli elettrodi al microscopio, hanno notato che la maggior parte era cambiata pochissimo. Tuttavia, hanno notato che alcuni dei dispositivi utilizzati per questo test erano arrivati con difetti preesistenti, come rivestimenti metallici leggermente deformati o punte scheggiate. Nonostante queste imperfezioni iniziali, gli elettrodi hanno retto sorprendentemente bene, suggerendo che il design è abbastanza robusto da gestire l'ambiente a lungo termine dell'orecchio interno.

La seconda fase di test ha sottoposto il dispositivo a uno stress ancora maggiore, simulando lo stress elettrico di un intero anno di uso quotidiano. I ricercatori hanno programmato i dispositivi per emettere impulsi elettrici miliardi di volte, superando di gran lunga ciò che un paziente sperimenterebbe in un singolo anno. Hanno testato due condizioni: una utilizzando un livello di corrente standard e sicuro, destinato ai trial umani, e un'altra utilizzando una corrente dodici volte superiore per vedere quanto il dispositivo potesse avvicinarsi al suo punto di rottura. L'obiettivo era vedere se gli elettrodi si sarebbero degradati, crepati o avrebbero smesso di funzionare sotto questo intenso bombardamento elettrico.

Nella condizione standard, gli elettrodi si sono comportati in modo impeccabile. Non uno solo è fallito e le loro proprietà elettriche sono addirittura migliorate leggermente nel tempo, un fenomeno comune quando gli elettrodi vengono utilizzati per la prima volta. Il test ad alta intensità è stato più rivelatore. Su molti elettrodi testati sotto la corrente estrema, solo uno ha mostrato un guasto improvviso, ma ulteriori indagini hanno suggerito che questo fosse dovuto a un filo interrotto all'interno del dispositivo piuttosto che all'usura dell'elettrodo stesso. Alcuni altri elettrodi hanno mostrato segni minori di usura, come il leggero distacco della punta metallica o l'arrotondamento del silicio sottostante, ma questi cambiamenti erano lenti e limitati. I ricercatori hanno notato che il danno era più probabile verificarsi sugli elettrodi che erano già scheggiati o danneggiati prima del test, indicando che la qualità della produzione è fondamentale per la sopravvivenza a lungo termine.

Per garantire che il dispositivo non si stesse dissolvendo nel fluido circostante, il team ha anche analizzato la soluzione salina dopo i test. Hanno cercato tracce microscopiche dei metalli utilizzati negli elettrodi, come iridio, platino e oro. Le quantità trovate erano così piccole da essere quasi impercettibili, confermando che il dispositivo non rilascia materiale significativo nel corpo. Questa è una scoperta cruciale per la sicurezza, poiché suggerisce che il dispositivo non rilascerà sottoprodotti tossici anche dopo anni di stimolazione.

Lo studio conclude che questa nuova interfaccia del nervo uditivo è abbastanza stabile da procedere verso i test sull'uomo. Gli elettrodi possono resistere all'equivalente di un anno e mezzo di immersione e di un anno intero di intensa stimolazione elettrica senza guasti catastrofici. Sebbene i ricercatori abbiano identificato che alcuni difetti di fabbricazione iniziali, come punte scheggiate o metallo deformato, possono rendere il dispositivo più vulnerabile, hanno già apportato piccole modifiche al processo di produzione per eliminare questi problemi. I dati suggeriscono che, con questi perfezionamenti, il dispositivo è pronto per essere testato sulle persone, offrendo una potenziale via verso un futuro in cui la perdita dell'udito viene trattata con un livello di precisione che la tecnologia attuale non può raggiungere. La strada per ripristinare l'udito complesso per milioni di pazienti potrebbe finalmente essere libera, fondata sulla prova silenziosa e rigorosa che il dispositivo può resistere nel lungo periodo.