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Gli impianti cerebrali sono pronti, ma non sappiamo di che materiale farli

Nè troppo duro nè troppo morbido—gli scienziati stanno cercando il materiale più adatto per impiantarvi il cervello.

di Gian Volpicelli
11 marzo 2015, 2:55pm

Le protesi cerebrali sembrano un argomento inquietante, ma in realtà sono piuttosto utili. Ci sono sempre più casi in cui impianti vengono inseriti nel cranio di persone per registrare la loro attività encefalica, o per aiutarle ad affrontare malattie come l'epilessia o il morbo di Alzheimer con dosi minime di elettrostimolazione.

Le applicazioni potenziali arrivano anche più in là: l'esercito statunitense sta investendo milioni di dollari nella ricerca di impianti cerebrali per curare il disturbo post-traumatico da stress nei soldati, oppure che permetta loro di effettuare comunicazioni "brain-to-brain" ; transumanisti come Ray Kurzweil considerano le protesi cerebrali il prossimo passo verso la trascendenza.

Lo sviluppo di questi dispositivi, naturalmente, pone una sfida importante in termini di ingegneria ed elettronica, ma c'è un altra, fondamentale, componente; trovare il materiale migliore per la loro struttura. Non puoi mettere un materiale qualsiasi nel cervello.

Gli impianti sono costituiti da due parti; un circuito con elettrodi a contatto con il cervello, e una superficie più morbida che lo ricopre. I materiali che fanno da copertura devono essere innanzitutto compatibili dal punto di vista biologico, mi ha detto Greg Gerhardt, neurobiologo della University of Kentucky. Gerhardt fa parte di un team guidato da Theodore Berger, che lavora sulla progettazione di impianti per ristabilire la memoria.

"Ogni volta che metti qualcosa nel cervello ci sarà sempre un minimo danno, non importa quanto buono sia il dispositivo," ha detto. "Materiali biologicamente compatibili sono in grado di minimizzare questo danno al cervello, e minimizzare il rischio che il corpo attacchi il dispositivo come corpo estraneo."

"Protesi rigide sono come artigli che si piantano nella gelatina del cervello."

Ci sono due candidati principali adatti a questo scopo: il silicone e i polimeri. La scelta della migliore opzione tra essi, e tra i diversi polimeri, è una questione di compromessi. Per esempio, non si può usare un dispositivo troppo morbido, perché sarebbe difficile da mettere nel cervello. Questo suggerirebbe che i polimeri sarebbero meglio del silicone, poiché quest'ultimo è più morbido e più difficile da manipolare, a meno che non si metta qualcosa che lo rende più rigido.

Ma la maneggevolezza può ritorcersi contro. Ricercatori della Ecole Polytechnique Fédérale di Losanna (EPFL) hanno pubblicato un paper su Science in gennaio, sostenendo l'uso di impianti neurali morbidi. Una delle ricercatrici, Stéphanie Lacour, mi ha detto al telefono che il team ha elaborato e comparato due modelli di protesi dura. Una era fatta di poliammide (un polimero usato di frequente); l'altra di silicone. Entrambe sono state impiantate nel cervello di topi sane.

Dopo un paio di settimane i topi con i dispositivi di silicone zampettavano nelle loro gabbie, mentre quelli con protesi di polimeri inciampavano abbastanza spesso e se la passavano abbastanza male. Un'esame successivo ha rilevato che gli impianti di poliammide avevano quasi distrutto il midollo spinale e avevano innestato una reazione da corpo estraneo.

Ma la maneggevolezza può ritorcersi contro. Ricercatori della Ecole Polytechnique Fédérale di Losanna (EPFL) hanno pubblicato un paper su Sciencein gennaio, sostenendo l'uso di impianti neurali morbidi. Una delle ricercatrici, Stéphanie Lacour, mi ha detto al telefono che il team ha elaborato e comparato due modelli di protesi dura mater. Una era fatta di poliammide (un polimero usato di frequente); l'altra di silicone. Entrambe sono state impiantate nel cervello di topi sane.

Dopo un paio di settimane i topi con i dispositivi di silicone zampettavano nelle loro gabbie, mentre quelli con protesi di polimeri inciampavano abbastanza spesso e se la passavano abbastanza male. Un'esame successivo ha rilevato che gli impianti di poliammide avevano quasi distrutto il midollo spinale e avevano innestato una reazione da corpo estraneo.

"Il motivo è che i polimeri, diversamente dal silicone, sono flessibili senza essere elastici. Quando c'è movimento gli impianti più rigidi sono problematici," afferma Lacour. La difficoltà era probabilmente più legata a livello del midollo spinale, dato che è in costante movimento, ma Lacour ha sottolineato che l'elasticità è anche fondamentale nel contesto più stabile del cervello. "Basta la pressione sanguigna per far muovere il cervello, e gli impianti che si muovono insieme al tessuto ridurrebbero strappi e reazioni nel tempo," ha detto. "Protesi rigide, d'altra parte, sono come artigli che si ficcano nella gelatina del cervello."

Secondo Gerhardt "c'è molta incertezza" nella scelta del giusto materiale. Ma alla fine la scelta si riduce a silicone e polimeri.

I materiali possibili per le componenti di circuiti ed elettrodi, invece, sono molti di più. Una proprietà che tutti i materiali devono avere è la longevità.

"Mettere una cosa nel cervello è come immergerla nell'oceano. Il cervello ha una grande concentrazione di sale ed è pieno di fluido. Sono necessari materiali che non si arrugginiscono velocemente," afferma Gerhardt. Questo fa sì che metalli nobili come il platino, l'oro o l'iridio siano particolarmente adatti, perché ossidano lentamente, e sono anche buoni conduttori. Tuttavia c'è una cosa che non possono fare; interagire con la luce."

Infatti i ricercatori si stanno interessando sempre di più alle potenzialità dell'optogenetica, che utilizza la luce per attivare i neuroni. È più veloce e meno invasiva di sistemi basati sull'elettricità, ma i metalli non sono adatti: se punti un raggio di luce su un elettrodo di platino ottieni semplicemente un pezzo metallo riscaldato nel cervello.

Qualche mese fa degli scienziati alla e University of Wisconsin, nel corso di un progetto finanziato dal DARPA, hanno realizzato degli impianti in grafene. Il grafene ha la reputazione di essere "il materiale delle meraviglie": è il materiale più conduttore conosciuto e, essendo fatto di carbonio, come i composti organici, è anche biocompatibile. E la sua sottigliezza lo rende virtualmente trasparente. Gli impianti in grafene hanno permesso ai ricercatori di indurre dei movimenti degli arti nei topi grazie all'utilizzo della luce.

E questo non è l'unico tentativo di introdurre nuovi materiali nel settore. A luglio un team di scienziati della Michigan University ha anche suggerito l'idea di riempire il cervello di "hard drive liquidi".

"Le persone stanno considerando sempre di più i materiali high-tech," afferma Gerhardt. "Molti di essi vengono direttamente dall'esercito, come gli impianti in kevlar. Sembra un'idea coraggiosa, ma non sappiamo molto della loro compatibilità biologica. Ci vorranno anni."