Più sottile di un capello, gli scienziati usano una sonda per "monitorare" il cervello umano

Riassunto:

Secondo un articolo apparso sulla rivista Nature il 2 novembre, le sonde neurali ultrasottili chiamate Neuropixel stanno cambiando il modo in cui gli scienziati studiano il cervello. Questo dispositivo, più sottile di un capello umano, può registrare l'attività elettrica di centinaia di neuroni contemporaneamente, consentendo ai ricercatori di osservare il processo di elaborazione delle informazioni all'interno del cervello con una precisione senza precedenti. Allo stato attuale, questa tecnologia è gradualmente entrata nella ricerca sul cervello umano dagli esperimenti sugli animali.

In una sala operatoria di un ospedale di Londra, gli scienziati stanno cercando di "ascoltare" direttamente il cervello umano.

Una paziente è stata sottoposta a un intervento di shunt per idrocefalo a pressione normale presso il National Hospital of Neurology and Neurosurgery di Londra, Regno Unito. Durante l'operazione, ha accettato di partecipare a un esperimento speciale: il medico ha inserito brevemente nel cervello una sonda di Neuropixel, lunga circa 1 centimetro e più sottile di un capello, per registrare i segnali elettrici dei neuroni in tempo reale.

I ricercatori hanno poi fatto sentire ai pazienti una serie di parole, tra cui "punto cieco", "parcheggio" e "salvadanaio", per vedere come il cervello elaborava le transizioni tra le diverse parole e come la frequenza e la familiarità delle parole influenzavano l'attività neurale.

Quando il suono risuonò nella sala operatoria, la forma d'onda del segnale nervoso sullo schermo di monitoraggio cambiò in modo significativo. Ciò significa che i ricercatori sono stati in grado di catturare la risposta in tempo reale del cervello umano alla stimolazione del linguaggio esterno attraverso sonde.

In passato, sebbene gli scienziati fossero in grado di utilizzare l'elettroencefalografia o elettrodi impiantati per monitorare l'attività del cervello umano, spesso potevano ottenere solo segnali prodotti da un gran numero di neuroni, rendendo difficile distinguere cosa stavano facendo i singoli neuroni.

Pierre Bourdillon, neurochirurgo presso l'ospedale della Fondazione Rothschild di Parigi, Francia, ha utilizzato una vivida metafora per spiegare la svolta di questa tecnologia.

Il monitoraggio EEG tradizionale è come posizionare un microfono a un incrocio trafficato e cercare di distinguere la conversazione di ogni persona dal caos di suoni. Neuropixel è più vicino all'installazione di microfoni sul collare di ogni persona per ascoltare le voci di individui diversi.

"Stiamo appena iniziando ad arrivare al punto in cui possiamo avere microfoni individuali per tutti", ha affermato.

La svolta fondamentale di questa tecnologia è che consente agli scienziati di osservare simultaneamente l'attività di un gran numero di singoli neuroni.

Neuropixels è stato lanciato per la prima volta nel 2017 ed è stato sviluppato in collaborazione con istituzioni come l'Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Park negli Stati Uniti e il Belgian Microelectronics Research Center (Imec).

La sonda Neuropixel di prima generazione dispone di 960 siti di registrazione, 384 dei quali possono leggere i segnali simultaneamente. Il suo corpo sonda in silicio è sottile come un capello ed è collegato a un chip delle dimensioni di una scheda Nano SIM, che è responsabile della lettura, dell'amplificazione e della digitalizzazione dei segnali neurali.

Nei primi esperimenti sugli animali, gli scienziati hanno impiantato due sonde nel cervello dei topi e hanno registrato con successo circa 700 neuroni distribuiti in 5 regioni del cervello contemporaneamente.

Neuropixels 2.0, lanciato nel 2021, migliora ulteriormente le capacità di registrazione, con 5120 siti di registrazione, di cui 1536 leggibili contemporaneamente, e il dispositivo è diventato più leggero.

Utilizzando una nuova generazione di tecnologia, gli scienziati sono riusciti a registrare decine di migliaia di neuroni simultaneamente nel cervello dei topi e, in alcuni esperimenti, a monitorarli per mesi.

Ciò significa che i ricercatori non possono più solo osservare l'attività di un'area locale del cervello, ma possono invece studiare come le diverse aree del cervello lavorano insieme.

Nel 2025, una ricerca collaborativa internazionale ha ottenuto risultati su larga scala.

Dodici laboratori degli Stati Uniti e dell'Europa hanno condotto una ricerca congiunta, utilizzando la tecnologia Neuropixel per registrare le attività di oltre 620.000 neuroni in 279 regioni del cervello in 139 topi e disegnare una mappa dell'attività neurale dell'intero cervello che coinvolge funzioni come la visione, il movimento e il processo decisionale.

La ricerca ha scoperto che

i segnali neurali legati alla sensazione, alla cognizione e al movimento potrebbero essere distribuiti più ampiamente nel cervello di quanto si pensasse in precedenza.

Oggi, Neuropixel è stato utilizzato da circa 1.700 laboratori in tutto il mondo e i soggetti della ricerca coprono più di 20 animali, tra cui topi, diamanti mandarini, lucertole dragone barbute e persino polpi.

Anche nella ricerca sui primati la tecnologia ha apportato cambiamenti significativi.

Tirin Moore, neuroscienziato dell'Università di Stanford, ha affermato che prima dell'avvento dei neuropixel, i ricercatori di solito potevano registrare solo l'attività di circa 20 neuroni dei primati al giorno, anche se i loro esperimenti andavano bene. Oggi sono in grado di registrare regolarmente almeno 100 neuroni.

Moore ritiene che senza tali strumenti, la ricerca sulle neuroscienze sui primati rimarrà gravemente limitata.

Attualmente, il gruppo di ricerca dell'Università di Stanford prevede di utilizzare i neuropixel per disegnare mappe dell'attività neurale ad alta risoluzione del sistema visivo dei macachi per comprendere meglio come il cervello elabora le informazioni visive.

Vale la pena notare che

I neuropixel non sono esattamente la stessa cosa dei dispositivi impiantabili per applicazioni di interfaccia cervello-computer.

Il suo utilizzo principale attuale è nella ricerca neuroscientifica di base, poiché aiuta gli scienziati a comprendere processi quali sensazione, movimento, cognizione e processo decisionale registrando l'attività dei neuroni. Sebbene la ricerca correlata possa fornire una base per la futura tecnologia dell’interfaccia cervello-computer e per la ricerca sulle malattie neurologiche, ciò non significa che Neuropixels abbia capacità di trattamento clinico mature.

"Nature" ha sottolineato che i neuropixel stanno spingendo la neuroscienza verso una nuova fase: gli scienziati non solo possono osservare se diverse aree del cervello sono attive, ma anche studiare ulteriormente come i singoli neuroni partecipano all'elaborazione complessa delle informazioni.

Dai topi ai primati fino alle sale operatorie umane, questa sonda sottilissima aiuta gli scienziati a esplorare il meccanismo di funzionamento del cervello umano con maggiore precisione.