Che cosa sono le interfacce Neuro-Robotiche? [5]

Il termine "interfaccia neuro-robotico", indica una tecnologia che accoppia l'attività elettrica dei neuroni viventi all'input e/o all'output di un dispositivo elettronico. Queste interfacce hanno molte forme, ma quasi tutte coinvolgono l'impianto di uno o più elettrodi in stretto contatto con i neuroni nella zona desiderata del sistema nervoso. Ciò presenta una miriade di sfide tecniche, dalla biocompatibilità delle materie prime alla difficoltà di stabilizzazione della comunicazione espressiva attraverso i relativamente pochi canali dell'elettrodo. Tuttavia, il tremendo valore clinico e scientifico delle interfacce neuro-robotiche ha reso loro un campo di ricerca attivo per le decadi. Il Neural Prosthesis Program at the National Institutes of Health guida la ricerca sulle interfacce neuro-robotiche dal 1972, ed i diversi ricercatori stanno lavorando all'istituzione di un programma convenzionale. Si è avuto un sostanziale avanzamento nel campo neuro-robotico, ma restano molti problemi non risolti.

Il valore scientifico delle interfacce neuro-robotiche

Mentre le applicazioni cliniche di interfacciamento neuro-robotiche stanno ancora emergendo, queste stesse tecnologie stanno generando dati scientifici importanti per gli anni futuri. L'esempio più noto è il lavoro delle multiple teams che stanno usando i segnali dalla corteccia cerebrale alle braccia robotizzate. Oltre che fornire indicazioni per gli studi clinici futuri, queste piattaforme stanno fornendo i dati nel modo in cui il cervello umano agisce all'operazione del controllo motorio, che a loro volta può aiutare gli sforzi dei ricercatori di robotica per costruire i regolatori artificiali. Lo stesso lavoro sta inoltre contribuendo a tracciare il contenuto di informazioni del cervello, come per la recente scoperta dei segnali che predicono un' intenzione di muoversi possono essere trovati nella corteccia parietale della scimmia. Poichè la tecnologia dell'interfaccia avanza e può essere impiantata in più zone, diventerà possibile fornire il sistema nervoso e guadagnare la comprensione in un'ampia varietà di attività motoria, sensitiva e nelle funzioni conoscitive. Le stesse tecniche possono anche essere usate per addestrare e controllare gli animali per effettuare le mansioni negli ambienti umano-inaccessibili, come è stato dimostrato con gli insetti ed i ratti telecomandati. Gli elettrodi e l'elettronica collegata usata per le interfacce neuro-robotiche impiantabili possono anche controllare i dispositivi basati sui segnali dagli allineamenti dei neuroni raccolti coltivati in un piatto. Tali interfacce in vitro già sono state usate per guidare un semplice robot mobile, per rilevare le caratteristiche in un'immagine e per servire da sensori chimici. Come le tecniche per manutenzione della coltura e il miglioramento dei modelli, questi regolatori biologici possono trovare gli usi all'interno dell'automatismo nei dominii dove le procedure efficaci ancora non sono state sviluppate. Alternativamente, possono informare lo sviluppo dei sistemi "neuromorphic" che effettuano gli stessi calcoli di rete-stile nell'elettronica analogica. All'interno della neuroscienza, le interfacce ai neuroni coltivati permetteranno lo studio sulle proprietà di piccole reti della geometria definita, così delucidando i meccanismi di base con calcoli complessi effettuati dal sistema nervoso.

Fig. 1 : Schema dell'interfaccia neuro-robotica. (a) descrizione del modo in cui un neurone viene posato sulla superficie dell'elettrodo metallico che è ricoperto di una miscela proteina-polimero conduttore. (b) particolare di zona indicata da (a), mostrante il meccanismo intracellulare supposto della registrazione basato sul polimero "molecolar wire" che penetra il doppio strato lipidico.

Particolari e spiegazione della tecnologia proposta

Nessuna tecnologia dell'elettrodo, attualmente disponibile, soddisfa completamente i test di verifica per una buona interfaccia neuro-robotica. La difficoltà principale è l'insufficiente biocompatibilità, con lo specifico contatto fra l'elettrodo ed il neurone che fanno parte di quel fenomeno. Le pellicole conduttive del polimero dopato con le biomolecole adesive possono migliorare la biocompatibilità, e la registrazione intracellulare dà il contatto estremamente profondo con i neuroni, ma entrambe le tecnologie hanno mostrato le debolezze che le impediscono soluzioni complete al problema dell'interfaccia neuro-robotico. Nella figura 3.1, si ha una nuova piattaforma per lo sviluppo futuro degli elettrodi neuro-robotici dell'interfaccia. L'idea centrale è l'uso degli strati monomolecolari auto-assemblanti (SAM) che contengono un poli(alchiltiofene) lipofilico (PT). Questa innovazione offre una soluzione potenziale al problema di delaminazione della pellicola del polimero e costituisce la base di nuovo tipo di registrazione intracellulare.

Monostrati molecolari autoassemblanti

Gli strati monomolecolari (SAM) si formano impregnando un elettrodo di metallo in una soluzione di molecole organiche a lunga catena che ha l'ultimo gruppo legato all'elettrodo. Nella comune applicazione chimica gli alcantioli stanno sull'oro, e possono essere usati per legare peptidi e proteine alle superfici del metallo. Gli alcantioli SAM sono stati usati per costruire i biosensori basati sull'impedenza del neurone, ma fin d'ora non è stato usato nelle interfacce neuro-robotiche in vivo. Il vantaggio di SAM è che può essere modellata a una risoluzione molto migliore, usando i metodi si può spaziare dalla fotolitografia alla stampa dei microcontatti. A causa di questo, sono stati usati per le applicazioni in vitro, dove si possono produrre i modelli alta fedeltà delle reti neurali. Questi modelli aumentano il numero di elettrodi che possono registrare i punti e potrebbero anche essere usati per studiare il comportamento delle geometrie definite della rete. Poiché la maggior parte della tecnologia del SAM dipende dalla presenza degli alcani a catena lunga, probabilmente non sono stati perseguiti per le applicazioni in vivo, dovuto alla loro tendenza ad isolare gli elettrodi rivestiti. Questa limitazione può essere sormontata cambiando la composizione del SAM.

Specificità e biocompatibilità

Aumentando la prossimità e la specificità del contatto fra il neurone e l'elettrodo si ottiene un miglioramento della biocompatibilità dello stimolo. La maggior parte dei metodi che migliorano il contatto inoltre aumenteranno la biocompatibilità con il materiale, poiché richiedono la creazione di un elettrodo che i neuroni possono tollerare. Questa interazione fra gli aspetti multipli della biocompatibilità, e fra la biocompatibilità ed i test di verifica di specificità è utile poichè le tecnologie sviluppate per risolvere un problema, ne possono anche richiamare parecchi altri.

Fig. 2 Le unità ripetute di politiofeni (PT), di polipirroli (PPY) e del poli(3,4-etilendiossitiofene) (PEDOT).

Polimeri conduttori

E' stato notato che le pellicole conduttive del polimero soffrono di due limitazioni importanti: una tendenza a delaminare rivestimento dell'elettrodo, e una mancanza di modellabilità. Gli strati monomolecolari auto-assemblanti basati sul gruppo solfidrilico (tiolo) escludono entrambe queste limitazioni. Essi sono chimicamente legati ai substrati del metallo nobile e sono modellati da un'ampia varietà di tecniche, la più comune fotolitografia e di stampa dei microcontatti. Il SAM basato sul tiolo è robusto nelle circostanze biologiche. L'energia del legame zolfo-oro è approssimativamente 40 kcal/mol, più forte dell'energia di legame oro-oro valutata 23 kcal/mol. Inoltre, il legame organotiolico ad un substrato metallico può essere spesso rinfrescato elettrochimicamente. Questa chimica particolare del SAM è usata maggiormente con gli alcanotioli a catena lunga, che possono sopportare i gruppi liberi dell'azoto o carbossilici che sono allora utilizzabili per legare le molecole alla superficie metallica. Tuttavia, il SAM alcanotiolo si isola, e così farebbe diminuire le prestazioni dell'elettrodo se usato in vivo. Fortunatamente, i gruppi tiolici possono essere collegati a molti altri prodotti organici oltre agli alcani a catena lunga, e questo include i polimeri conduttori. Il metodo è stato conosciuto per oligo(fenilene-etilene) ed è stato messo a punto per PT. Inoltre è stato indicato che i diversi "molecolar wires" in queste pellicole non si accoppiano l'un l'altro, ma funge da canali paralleli indipendenti conduttori della corrente dal substrato metallico di fondo al mezzo alle punte delle molecole. IL SAM formato puramente da un polimero conduttore non si penserebbe che sia biocompatible. L'interfacciamento neuro-robotico attraverso un SAM quindi richiede, che esso abbia biocompatibilità di un SAM proteina/alcantiolo, e la conducibilità di un polimero SAM o elettrodeposizione della pellicola del polimero. Ciò è facilmente realizzabile con il fenomeno ben noto dello "strato monomolecolare mixato". Il SAM formato da una soluzione che contiene le molecole multiple autoassemblanti conterrà tutta la specie chimica, con le proporzioni relative nel SAM rispetto alle proporzioni nella soluzione. Di conseguenza, come illustrato nella parte A della Fig. 3.1, si mostra lo sviluppo degli elettrodi basati su un SAM mixed di un PT e di un alcantiolo legato alle proteine. Oltre che fornire una soluzione per la delaminazione e modellabilità, la procedura a più gradi evita di esporre le biomolecole ai solventi organici. Ciò permette l'uso delle molecole più complesse (proteine intere anziché i frammenti del peptide), che dovrebbero produrre una risposta più efficace dei neuroni. La presenza di queste molecole dovrebbe anche ridurre gli effetti del micromotion della sonda. Se i neuroni vicini sviluppano assoni che si fissano ai siti dell'elettrodo, quegli assoni potranno effettuare il loro collegamento alla sonda. Esistono tecniche per legare covalentemente la proteina sui rivestimenti elettrodepositati, solitamente includendo un componente che sopporta i gruppi carbossilici liberi o i gruppi amminici. Tuttavia, queste non sono pellicole legate linearmente, la proteina è legata al polimero, ma il polimero ancora è legato all'elettrodo soltanto dalle forze intermolecolari del metallo, ed è soggetto a delaminazione in qualunque momento. Ci accerteremo che un legame sia formato fra il polimero ed il metallo. Poiché i politiofeni hanno la stessa base di PEDOT e possono essere sintetizzati ad un modo regioregolare, dovrebbero anche mostrare la stessa resistenza del PEDOT ad una lenta perdita di conducibilità, sormontante la terza limitazione identificata dagli elettrodi polimerici conduttori. Il lavoro ulteriore sarà ottimizzare la selezione dei polimeri, ed equilibrare giustamente tutte le alternanze in mezzo, la solubilità del lipido, la conducibilità e la facilità della sintesi.

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