Programmable dendrite-inspired organic electrodes for neuronal interfacing

Il cervello è un paesaggio di cellule viventi morbido, umido e in costante mutamento, mentre i dispositivi che usiamo per ascoltarlo sono tipicamente duri, piatti e inflessibili. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di colmare questo divario, attaccando sensori rigidi di metallo o silicio a delicati tessuti nervosi. Il problema è che questi due mondi non si incastrano bene. Il dispositivo duro preme contro il tessuto morbido, causando una reazione del corpo che costruisce una cicatrice che isola il sensore, proprio come una scheggia sotto la pelle. Questa barriera indebolisce il segnale nel tempo, rendendo difficile ascoltare chiaramente i deboli sussurri elettrici dei neuroni. Per risolvere questo problema, i ricercatori si sono rivolti a materiali morbidi, simili alla plastica, che possono muoversi con il cervello, ma anche questi materiali morbidi rimangono spesso piatti, lasciando un piccolo spazio vuoto tra il sensore e la membrana cellulare. Quel vuoto agisce come una barriera, sfocando la connessione. L'obiettivo della moderna neurotecnologia è creare un sensore che non si limiti a stare sopra un neurone, ma che lo abbracci davvero, formando un legame stretto e senza interruzioni che permetta una comunicazione chiara senza innescare le difese del corpo.

Un team di ricercatori presso il Centro di Ricerca Jülich in Germania e l'Istituto Italiano di Tecnologia ha compiuto un passo significativo verso questo obiettivo creando un nuovo tipo di elettrodo che imita la struttura ramificata di un neurone stesso. Invece di una superficie piatta, hanno fatto crescere minuscole fibre simili ad alberi, composte da un polimero conduttivo, direttamente sui loro sensori. Queste fibre, che sembrano i rami di un albero o le estensioni di una cella nervosa, sono progettate per essere toccate e avvolte dai neuroni che devono misurare. Controllando attentamente le condizioni elettriche durante il processo di crescita, gli scienziati sono riusciti a programmare la dimensione, la forma e la complessità di queste fibre, trasformando un semplice pad piatto in una struttura tridimensionale e ramificata che invita la cellula ad avvicinarsi.

I ricercatori hanno fatto crescere queste strutture utilizzando un processo chiamato elettrodeposizione, in cui hanno applicato impulsi elettrici specifici a una soluzione contenente i mattoni del polimero. Regolando il voltaggio, la velocità degli impulsi e la durata della crescita, potevano dettare il modo in cui le fibre si formavano. Hanno creato tre tipi distinti di superfici da testare: un rivestimento piatto bidimensionale; una versione con fibre corte e spesse; e una versione con fibre lunghe e intricate. Queste strutture sono state progettate per assomigliare a diverse fasi della crescita del neurone stesso, dal semplice corpo cellulare a una rete completamente sviluppata di rami. Il team ha scoperto che, semplicemente cambiando le impostazioni elettriche, potevano passare in modo affidabile tra queste diverse forme, dimostrando che la forma fisica dell'elettrodo poteva essere programmata proprio come un codice informatico.

Quando questi nuovi elettrodi sono stati messi in contatto con cellule cerebrali viventi di ratti, la differenza nel modo in cui le cellule interagivano con la superficie è stata sorprendente. Sulle elettrodi piatti, le cellule si posizionavano sopra, ma rimaneva un evidente spazio tra la membrana cellulare e il sensore. Tuttavia, sugli elettrodi coperti di fibre, le cellule si comportavano diversamente. I neuroni inviavano le proprie minuscole estensioni, chiamate neuriti, che si protendevano e avvolgevano strettamente le fibre artificiali. In alcuni casi, la membrana cellulare si ripiegava persino verso l'interno, abbracciando la fibra così da vicino che lo spazio tra la cellula e il sensore quasi scompariva. Questo abbraccio stretto era più efficace sulle fibre corte e spesse, dove la membrana cellulare poteva conformarsi completamente alla forma della struttura. Sulle branche più lunghe e delicate, l'avvolgimento era ancora presente ma diventava meno stretto man mano che le fibre si assottigliavano verso le punte, suggerendo che lo spessore fisico della branca conta per quanto bene la cella può aggrapparsi.

Questa vicinanza fisica si è tradotta direttamente in una migliore prestazione elettrica. I ricercatori hanno registrato l'attività elettrica delle cellule cerebrali per diverse settimane e hanno scoperto che le reti cresciute sugli elettrodi a fibre corte erano più attive rispetto a quelle sulle superfici piatte o a fibre lunghe. Le cellule sulle fibre corte sparavano più frequentemente e raggruppavano i loro segnali in impulsi di attività più forti. Ciò suggerisce che il stretto contatto fisico fornito dalle fibre corte ha aiutato le cellule a comunicare più efficacemente con il dispositivo. Al contrario, le fibre lunghe non hanno aumentato l'attività tanto quanto, probabilmente perché le cellule non potevano avvolgersi attorno alle punte sottili e distanti con la stessa sicurezza con cui potevano farlo attorno alla base più spessa. Lo studio ha anche mostrato che queste nuove strutture non hanno interrotto l'organizzazione complessiva del tessuto cerebrale; le cellule non si sono ammassate né hanno cambiato la loro disposizione generale, ma hanno mostrato segni di formazione di punti di connessione più specializzati, noti come sinapsi, proprio dove toccavano le fibre.

Forse in modo ancora più straordinario, questi elettrodi ricoperti di fibre hanno permesso ai ricercatori di fare qualcosa che è solitamente impossibile con i sensori standard: potevano sbirciare brevemente all'interno della cellula. Utilizzando un raggio laser focalizzato, il team ha creato un piccolo foro temporaneo nella membrana cellulare proprio nel punto in cui toccava una fibra. Questa tecnica, nota come optoporazione, ha permesso all'elettrodo di registrare il segnale elettrico dall'interno della cellula, un compito solitamente riservato a metodi molto più invasivi. La qualità di questo segnale interno dipendeva da dove colpiva la fibra; il segnale era più chiaro alla base della branca, dove la cellula era avvolta strettamente, e diventava più debole verso la punta. Ciò ha confermato che la forza della connessione tra la cellula e l'elettrodo è determinata dalla forma locale della fibra.

Il lavoro dimostra che la forma fisica di un sensore neurale è importante quanto il materiale di cui è fatto. Coltivando elettrodi che somigliano e si sentono come i neuroni con cui devono interfacciarsi, i ricercatori hanno creato una piattaforma che incoraggia le cellule a integrarsi naturalmente, riducendo il divario che di solito ostacola la comunicazione. Sebbene la tecnologia richieda ancora ulteriori perfezionamenti per massimizzare la chiarezza del segnale, lo studio stabilisce che programmare l'architettura fisica degli elettrodi organici è un modo potente per controllare come i cervelli viventi e i dispositivi artificiali si connettono. Questo approccio va oltre il semplice rendere i sensori più morbidi o piccoli; cambia la geometria stessa dell'interfaccia, permettendo al dispositivo di diventare parte della struttura biologica che è progettato per leggere.