Cellule nervose artificiali per la cura delle malattie croniche
Con la promessa di portare nuovi spunti nella diagnosi e nel trattamento di patologie diverse come i tumori, le malattie cardiovascolari e neurodegenerative, la medicina bioelettronica oggi è sotto i riflettori. Riunendo insieme vari campi come la biochimica, la medicina molecolare, le neuroscienze, l’immunologia, l’ingegneria elettrica e meccanica, l’informatica e la matematica, la medicina bioelettronica si concentra sui segnali elettrici nel sistema nervoso. Già da tempo i ricercatori in questo campo stanno impiegando queste informazioni per creare dispositivi biomedici che scavano in complesse reti neurali. Tuttavia, sviluppare neuroni artificiali è stato finora difficile a causa delle sfide sollevate dalla biologia complessa e da risposte neuronali difficili da prevedere. Un team di scienziati supportato dal progetto CResPAce, finanziato dall’UE, si è dedicato espressamente a questo problema. Il team ha progettato dei neuroni artificiali su chip in silicio che replicano esattamente cellule nervose reali e viventi, rispondendo a una serie di stimolazioni. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista «Nature Communications». «Il nostro approccio combina diverse scoperte, aprendo nuovi orizzonti all’ingegneria neuromorfica, dalla programmazione di computer analogici a bioimpianti morbidi».
Ideale per gli impianti medici
Un comunicato stampa dell’Università di Bath, che ha coordinato il progetto CResPace, sintetizza i risultati dello studio. «Significativamente, i neuroni artificiali non solo si comportano come i neuroni biologici, ma richiedono solo un miliardesimo della potenza di un microprocessore, il che li rende ideali per l’uso in impianti medici e altri dispositivi bio-elettronici». Il comunicato stampa afferma: «I neuroni artificiali potrebbero essere in grado di riparare bio-circuiti malati replicando la loro funzione sana e rispondendo adeguatamente alla retroazione biologica per ripristinare la funzione corporea. Ad esempio in un arresto cardiaco, i neuroni alla base del cervello non rispondono correttamente alla retroazione del sistema nervoso e a loro volta non inviano i segnali giusti al cuore, che quindi non pompa così forte come dovrebbe». L’articolo presenta inoltre le sfide legate alla creazione di neuroni artificiali e spiega come gli scienziati le hanno superate. «I ricercatori hanno modellato e derivato con successo equazioni per spiegare come i neuroni rispondono agli stimoli elettrici provenienti da altri nervi. Si tratta di un processo incredibilmente complicato perché le risposte sono «non lineari», in altre parole, se un segnale diventa due volte più forte non dovrebbe necessariamente suscitare una reazione due volte più grande, potrebbe invece essere tre volte più grande o qualcos’altro». Nello stesso comunicato stampa, l’autore principale, il prof. Alain Nogaret dell’Università di Bath, spiega: «Il nostro lavoro è rivoluzionario perché fornisce un solido metodo per riprodurre le proprietà elettriche dei neuroni reali nei minimi dettagli». Aggiunge che il team sta «sviluppando pacemaker intelligenti che non si limitano a stimolare il cuore a pompare a ritmo costante, ma usano questi neuroni per rispondere in tempo reale alle richieste cui il cuore deve rispondere, che è ciò che accade naturalmente in un cuore sano. Altre possibili applicazioni potrebbero essere nel trattamento di condizioni come il morbo di Alzheimer e nelle malattie degenerative neuronali più in generale». La conclusione del progetto CResPace (Adaptive Bio-electronics for Chronic Cardiorespiratory Disease) che ha sostenuto lo studio è prevista per la fine del dicembre 2021. Un’applicazione cruciale della tecnologia sviluppata dal progetto prevede la risincronizzazione cardiaca adattiva che si basa su piccole reti neurali note come generatori centrali di pattern (central pattern generators, CPG). Questi circuiti neuronali controllano diverse funzioni come la respirazione e il battito cardiaco, nonché la coordinazione tra i muscoli responsabili della deglutizione. Il progetto implementa i CPG con hardware fisico per replicare il controllo naturale della frequenza cardiaca e risincronizzare le camere cardiache. I partner del progetto si auspicano che CResPace allunghi e migliori la qualità della vita dei pazienti. Per maggiori informazioni, consultare: sito web del progetto CResPace
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Regno Unito