Il cervello umano interpreta costantemente segnali elettrici trasformandoli in esperienze sensoriali: un meccanismo fondamentale che ora un gruppo di ricercatori della Northwestern University è riuscito a replicare artificialmente. Attraverso un dispositivo wireless impiantabile, gli scienziati hanno dimostrato per la prima volta che è possibile creare percezioni completamente sintetiche bypassando i tradizionali canali sensoriali e comunicando direttamente con specifiche popolazioni neuronali attraverso impulsi luminosi. La ricerca, pubblicata su Nature Neuroscience l'8 dicembre, apre prospettive rivoluzionarie per il ripristino di funzioni sensoriali perdute e per lo sviluppo di interfacce cervello-macchina di nuova generazione.
La tecnologia si basa sull'optogenetica, una tecnica che utilizza la luce per controllare neuroni geneticamente modificati, ma con un'innovazione cruciale rispetto agli approcci tradizionali. Mentre i sistemi optogenetici convenzionali richiedevano cavi in fibra ottica che limitavano drasticamente il movimento degli animali da laboratorio, il nuovo dispositivo è completamente privo di batterie e fili, operando in modalità wireless. L'impianto, delle dimensioni di un francobollo e più sottile di una carta di credito, si adagia morbidamente sulla superficie del cranio sotto il cuoio capelluto, senza penetrare il tessuto cerebrale. Da questa posizione, un array di 64 micro-LED programmabili – ciascuno sottile quanto un capello umano – emette attraverso l'osso cranico sequenze di luce rossa controllate con precisione temporale.
La scelta della luce rossa non è casuale: come spiega Yevgenia Kozorovitskiy, professoressa di neurobiologia che ha guidato la parte sperimentale dello studio, questo tipo di radiazione penetra efficacemente attraverso i tessuti biologici, raggiungendo profondità sufficienti per attivare i neuroni corticali senza necessità di procedure chirurgiche invasive. Ogni LED può essere controllato indipendentemente in tempo reale, permettendo ai ricercatori di generare pattern complessi di stimolazione che mimano l'attività distribuita che il cervello produce naturalmente durante le esperienze sensoriali reali. Questo approccio multi-sito riflette il funzionamento fisiologico della corteccia, dove le sensazioni attivano ampie reti neurali piuttosto che singoli gruppi isolati di cellule.
Per verificare se il cervello potesse effettivamente interpretare questi segnali artificiali come informazioni significative, il team ha condotto esperimenti su modelli murini geneticamente modificati per esprimere proteine fotosensibili nei neuroni corticali. Gli animali sono stati addestrati ad associare specifici pattern di stimolazione luminosa a ricompense collocate in determinate posizioni all'interno di una camera sperimentale. Durante le prove, l'impianto trasmetteva una sequenza definita attraverso quattro regioni corticali, funzionando essenzialmente come un messaggio in codice inviato direttamente al cervello. I topi hanno dimostrato di poter discriminare tra il pattern target e numerose alternative, navigando correttamente verso la porta associata alla ricompensa quando riconoscevano il segnale artificiale corretto.
La capacità degli animali di completare accuratamente compiti comportamentali basandosi esclusivamente su questi input artificiali – senza alcun supporto da vista, udito o tatto – rappresenta una dimostrazione diretta che il cervello può apprendere a interpretare pattern di stimolazione optogenetica come segnali sensoriali autonomi. Come sottolinea Kozorovitskiy, questa piattaforma tecnologica offre un metodo per creare segnali completamente nuovi e osservare come il sistema nervoso impari a utilizzarli, fornendo al contempo una finestra sui principi basilari che ci permettono di percepire il mondo circostante.
Dal punto di vista ingegneristico, il dispositivo rappresenta un notevole progresso rispetto ai sistemi precedenti. John A. Rogers, esperto di bioelettronica che ha diretto lo sviluppo tecnologico, evidenzia come il team abbia dovuto ripensare radicalmente l'architettura dei sistemi di stimolazione cerebrale. L'integrazione di un array flessibile di micro-LED con un modulo di controllo alimentato wirelessly ha prodotto un sistema completamente impiantabile, programmabile in tempo reale e privo di componenti esterni ingombranti, senza effetti misurabili sui comportamenti naturali degli animali. Il lavoro si inserisce in una linea di ricerca che lo stesso gruppo aveva inaugurato nel 2021 con il primo dispositivo optogenetico completamente impiantabile, wireless e senza batterie, capace di influenzare il comportamento sociale nei topi attraverso un singolo micro-LED.
Le potenziali applicazioni cliniche di questa tecnologia spaziano dal ripristino di funzioni sensoriali compromesse allo sviluppo di protesi avanzate. Il sistema potrebbe fornire feedback sensoriale per arti artificiali, offrire input per future protesi uditive o visive, controllare arti robotici, migliorare la riabilitazione dopo lesioni o ictus, e persino modulare la percezione del dolore senza ricorrere a farmaci. Tuttavia, come sottolineano i ricercatori, il percorso verso applicazioni umane richiede ancora numerosi passaggi di validazione e sviluppo.
Gli sviluppi futuri prevedono l'implementazione di pattern di stimolazione più sofisticati per determinare quanti segnali distinti il cervello può apprendere in modo affidabile. Il numero teorico di configurazioni possibili variando frequenza, intensità e sequenza temporale dei 64 LED è, nelle parole di Wu, praticamente infinito. Le prossime generazioni del dispositivo potrebbero incorporare array più estesi con spaziatura ridotta tra i LED, coprire porzioni maggiori della corteccia e utilizzare lunghezze d'onda luminose capaci di penetrare ancora più in profondità nel tessuto cerebrale, ampliando le regioni neurali accessibili alla stimolazione..
