Vedere e Ascoltare il Cervello Contemporaneamente? La Rivoluzione Trasparente è Qui!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi appassiona da matti: sbirciare dentro il cervello umano, capire come funziona, come comunicano i neuroni. È un universo affascinante e complesso, e per esplorarlo usiamo strumenti sempre più sofisticati. Due tecniche potentissime che abbiamo a disposizione sono la registrazione elettrofisiologica, che ci permette di “ascoltare” l’attività elettrica dei neuroni con una precisione temporale pazzesca (parliamo di frazioni di millisecondo!), e l’imaging a due fotoni, che ci fa “vedere” la struttura fine del cervello, le cellule, le loro connessioni, con una risoluzione spaziale incredibile.

Il Dilemma: Vedere o Ascoltare? Perché non Entrambi?

Ora, immaginate cosa potremmo scoprire combinando queste due tecniche! Potremmo vedere la struttura e contemporaneamente ascoltare la funzione di specifici circuiti neuronali. Sarebbe come avere una mappa super dettagliata del cervello che si aggiorna in tempo reale con l’attività elettrica. Il problema? Farle funzionare insieme è un bel grattacapo.

Gli elettrodi tradizionali, quelli che usiamo per registrare i segnali elettrici, sono fatti di metallo. E il metallo, ahimè, ha due grossi difetti in questo contesto:

• È opaco: riflette la luce invece di farla passare, quindi se lo mettiamo sopra l’area che vogliamo osservare con l’imaging a due fotoni… beh, ci copre la visuale! Addio dettagli strutturali sotto l’elettrodo.
• Crea artefatti fotoelettrici: quando il laser dell’imaging a due fotoni colpisce il metallo, genera dei segnali elettrici spuri, dei “rumori” che disturbano e possono mascherare i deboli segnali neuronali che stiamo cercando di registrare. È come cercare di ascoltare un sussurro durante un concerto rock!

Negli ultimi anni, la ricerca ha provato a risolvere il problema con elettrodi trasparenti, usando materiali come il grafene o i nanotubi di carbonio. Grandi idee, ma spesso c’era un compromesso: magari il sito di registrazione era trasparente, ma le linee di interconnessione (i “fili” che portano il segnale fuori) dovevano rimanere metalliche e opache per garantire una buona conducibilità. Oppure, per avere elettrodi completamente trasparenti con una bassa impedenza (che è fondamentale per registrare segnali puliti e a basso rumore), bisognava farli molto grandi, perdendo così la capacità di isolare l’attività di singoli neuroni. Insomma, non era ancora la soluzione ideale.

La Svolta: Elettrodi Invisibili ma Potenti con il PEDOT:PSS

Ed è qui che entriamo in gioco noi! Abbiamo pensato: e se potessimo creare un’interfaccia neurale completamente trasparente, sia nei siti di registrazione che nelle interconnessioni, ma che avesse anche prestazioni elettriche eccellenti, paragonabili a quelle degli elettrodi metallici? Sembrava quasi chiedere la luna, a causa di quel fastidioso compromesso tra trasparenza e conducibilità/impedenza.

La nostra risposta si chiama PEDOT:PSS. È un polimero conduttivo, già noto per la sua biocompatibilità e flessibilità, ma che nella sua forma “base” non ha prestazioni elettriche sufficienti per registrazioni neurali di alta qualità, specialmente con microelettrodi piccoli. La vera magia è arrivata con un trattamento speciale che abbiamo messo a punto, un cocktail di tre sostanze: formammide, acido fosforico ed etilenglicole (FPE).

Questo trattamento FPE, applicato al nostro film di PEDOT:PSS, ha fatto miracoli! Ha potenziato enormemente le sue proprietà elettrochimiche. Siamo riusciti a creare un array di 30 microelettrodi (grandi appena 20×20 micrometri, abbastanza piccoli da “ascoltare” quasi i singoli neuroni!) completamente trasparenti, insieme a tutte le loro linee di connessione. E la cosa incredibile è l’impedenza che abbiamo raggiunto: circa 45.8 kΩ a 1 kHz. Un valore bassissimo per un elettrodo trasparente e senza metallo di queste dimensioni, che supera di gran lunga le prestazioni delle precedenti interfacce neurali trasparenti metal-free.

La Magia dietro il PEDOT:PSS Trattato (FPE)

Ma come funziona esattamente questo trattamento FPE? Senza entrare in dettagli troppo tecnici, possiamo dire che agisce sulla struttura molecolare del PEDOT:PSS. Immaginate il PEDOT come delle catene conduttive (dove scorre l’elettricità) e il PSS come un “guscio” isolante che le avvolge e le tiene insieme, ma ne limita anche la conducibilità.

• La formammide indebolisce i legami tra PEDOT e PSS.
• L’acido fosforico aiuta a rimuovere parte del PSS isolante.
• L’etilenglicole riorganizza le catene di PEDOT, riducendo la distanza tra loro (il cosiddetto π–π stacking) e facilitando così il passaggio delle cariche elettriche.

Il risultato finale è un materiale che mantiene un’ottima trasparenza (circa il 73% nel visibile, paragonabile o superiore a materiali come l’ITO o il grafene) ma con una conducibilità elettrica drasticamente migliorata (abbiamo raggiunto 3.4 × 10³ S/cm!). Questo si traduce in quella bassa impedenza che è cruciale per registrare segnali neurali puliti, con un basso livello di rumore.

Abbiamo verificato queste modifiche strutturali con tecniche avanzate come la diffrazione a raggi X (HR-XRD), la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e la microscopia a forza atomica (AFM). I risultati hanno confermato che il trattamento FPE rimuove parte del PSS, riduce lo spessore del film, aumenta la rugosità superficiale (che migliora l’interfaccia con l’elettrolita) e ottimizza l’impilamento delle catene di PEDOT, portando a prestazioni elettrochimiche superiori, inclusa una maggiore capacità volumetrica, utile per l’accumulo di carica.

Alla Prova dei Fatti: Dai Laboratori al Cervello

Ok, belle le caratteristiche sulla carta, ma funzionano davvero queste interfacce nel mondo reale? Per scoprirlo, abbiamo fatto una serie di test.

Prima di tutto, la biocompatibilità. È fondamentale che un impianto neurale non danneggi le cellule o scateni una forte reazione immunitaria. Abbiamo coltivato neuroni direttamente sui nostri elettrodi FPE-PEDOT in vitro e abbiamo visto che le cellule stavano benissimo, nessuna tossicità rilevata (a differenza di un controllo con Pt-black, un materiale a volte usato ma che può mostrare una certa citotossicità). Poi siamo passati agli esperimenti in vivo, impiantando i nostri film sottili e flessibili sulla corteccia cerebrale di topi. Anche qui, ottime notizie: le analisi immunoistochimiche a diversi giorni dall’impianto hanno mostrato una risposta infiammatoria minima, molto inferiore a quella vista con impianti di Pt-black. Il nostro FPE-PEDOT sembra essere molto ben tollerato dal tessuto cerebrale.

Poi, le prestazioni di registrazione. Abbiamo impiantato i nostri array di 30 microelettrodi sulla corteccia somatosensoriale di topi e abbiamo registrato l’attività elettrica spontanea. Grazie alla bassissima impedenza, il rumore di fondo era incredibilmente basso (circa 6.6-6.8 µV RMS). Questo ci ha permesso di fare qualcosa che era molto difficile, se non impossibile, con i precedenti elettrodi trasparenti: registrare chiaramente i potenziali d’azione extracellulari (EAP), i “bip” elettrici dei singoli neuroni, direttamente dalla superficie corticale, senza nemmeno dover penetrare nel tessuto! Abbiamo anche indotto delle crisi epilettiche lievi con pilocarpina per vedere come si comportavano gli elettrodi in condizioni di attività intensa e anomala: anche qui, registrazioni chiare e dettagliate dei segnali, sia dei potenziali di campo locale (LFP) che degli spike neuronali. Confrontando le prestazioni con elettrodi trasparenti in ITO (ossido di indio-stagno) o grafene, il nostro FPE-PEDOT ha mostrato un rapporto segnale-rumore (SNR) nettamente superiore, paragonabile a quello degli elettrodi opachi in Pt-black, considerati un gold standard per la registrazione di spike.

Il Sogno Diventa Realtà: Immagini Nitide e Segnali Puliti, Insieme!

E ora, il momento clou: la combinazione di elettrofisiologia e imaging a due fotoni. Abbiamo impiantato i nostri elettrodi FPE-PEDOT trasparenti sulla corteccia di topi, abbiamo visualizzato i vasi sanguigni con un colorante fluorescente e abbiamo acceso il microscopio a due fotoni, continuando a registrare i segnali elettrici.

I risultati sono stati spettacolari!

• Imaging senza ostacoli: Grazie alla trasparenza totale dell’array (elettrodi e connessioni), potevamo vedere chiaramente attraverso l’impianto. I vasi sanguigni e le strutture cerebrali sottostanti erano perfettamente visibili, anche scendendo in profondità (fino a 100 µm con immagini z-stack). Nessuna ombra, nessuna area cieca causata dall’elettrodo, a differenza di quanto accade con elettrodi metallici come il Pt-black che creano distorsioni e bloccano la vista.
• Registrazioni senza artefatti: E la cosa più importante: l’accensione del laser per l’imaging a due fotoni non ha introdotto alcun artefatto significativo nelle registrazioni elettrofisiologiche! Il rumore di fondo è rimasto basso e stabile, e abbiamo potuto continuare a registrare segnali LFP e EAP puliti mentre l’imaging era in corso. Questo è un vantaggio enorme rispetto agli elettrodi metallici, che soffrono pesantemente dell’effetto fotoelettrico indotto dal laser.

Finalmente, abbiamo dimostrato che è possibile “vedere” la struttura fine del cervello con l’imaging a due fotoni e contemporaneamente “ascoltare” l’attività elettrica dei neuroni nella stessa area, con alta fedeltà e senza che le due tecniche si disturbino a vicenda. È davvero un passo avanti enorme per le neuroscienze.

Perché Tutto Questo è Importante?

Questa nuova tecnologia basata sul PEDOT:PSS trattato con FPE apre scenari incredibili. Supera i limiti delle interfacce neurali attuali, offrendo una combinazione unica di:

• Trasparenza ottica elevata
• Prestazioni elettrochimiche eccellenti (bassa impedenza, basso rumore)
• Assenza di artefatti fotoelettrici
• Biocompatibilità
• Flessibilità
• Potenziale per fabbricazione a basso costo

Questo significa che ora abbiamo uno strumento molto più potente per studiare le basi neurali di cognizione, percezione, apprendimento e malattie neurologiche come l’epilessia, potendo correlare direttamente struttura e funzione a livello di microcircuiti. Potrebbe aprire la strada a nuove diagnostiche cliniche e, guardando ancora più in là, potrebbe trovare applicazioni in altri campi della bioelettronica, come sensori indossabili o altri tipi di impianti biomedicali trasparenti e performanti.

È un momento entusiasmante per chi, come me, cerca di decifrare i misteri del cervello. Con strumenti come questo, la nostra capacità di “vedere” e “ascoltare” l’attività neurale raggiunge un livello completamente nuovo. E chissà quali scoperte ci aspettano dietro l’angolo!

Fonte: Springer