Un impianto optogenetico wireless transcranico sviluppato da ricercatori della Northwestern University è riuscito a generare percezioni artificiali nei topi, dimostrando che il cervello può interpretare pattern luminosi sintetici come veri segnali sensoriali. Il sistema utilizza un array flessibile di 64 micro-LED rossi impiantati sopra la corteccia, capaci di attivare neuroni geneticamente modificati e creare esperienze percettive completamente nuove, indipendenti da vista, tatto o udito.
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Un impianto cerebrale miniaturizzato e completamente wireless
Il dispositivo, grande quanto un francobollo e altamente flessibile, si adatta alla superficie del cranio senza limitare i movimenti naturali degli animali. L’architettura combina circuiti flessibili, tracce serpentine per assorbire le deformazioni meccaniche e strati di silicone e parylene-C per l’incapsulamento biocompatibile. Ogni micro-LED, sottile come un capello umano, emette luce rossa in grado di penetrare efficacemente il tessuto osseo e attivare neuroni che esprimono l’opsina ChrimsonR. L’intero sistema funziona senza cavi, grazie a un modulo di alimentazione e comunicazione wireless near-field, consentendo stimolazioni in tempo reale durante il comportamento libero.
Dall’attivazione neuronale alla percezione artificiale
A differenza dei precedenti sistemi optogenetici cablati, l’impianto permette di stimolare simultaneamente più regioni corticali, replicando la natura distribuita dell’elaborazione sensoriale. I ricercatori hanno dimostrato che i topi sono in grado di imparare a interpretare sequenze luminose complesse come segnali significativi, utilizzandoli per prendere decisioni comportamentali corrette in compiti operanti.
Le prestazioni migliorano in funzione della distanza corticale tra i siti stimolati e della struttura temporale delle sequenze, indicando che il cervello integra questi input artificiali secondo principi simili a quelli delle percezioni naturali.
Metodologia sperimentale e controllo neurofisiologico
Il team ha iniettato vettori virali per indurre l’espressione delle opsine in aree somatosensoriali, motorie e visive. Registrazioni extracellulari con array multi-elettrodo hanno confermato l’attivazione selettiva dei neuroni stimolati, mentre sofisticate simulazioni Monte Carlo e analisi agli elementi finiti hanno garantito un controllo preciso della propagazione luminosa e dell’accumulo termico, mantenendo l’aumento di temperatura cerebrale ben sotto le soglie di sicurezza.
I topi hanno raggiunto accuratezze elevate nella discriminazione dei pattern, anche in condizioni di sovrapposizione spaziale o inversione temporale delle sequenze, dimostrando una notevole plasticità neurale.
Risultati comportamentali e stabilità a lungo termine
Le prove hanno mostrato che i topi possono distinguere pattern artificiali con percentuali di successo superiori al 70%, e in alcuni casi prossime all’80%, senza alcun deterioramento del comportamento naturale. Il dispositivo ha mantenuto stabilità funzionale per oltre 32 giorni, confermando l’affidabilità dell’approccio per studi prolungati. Questi risultati indicano che il cervello non solo riceve segnali artificiali, ma li integra come vere esperienze percettive, trasformandoli in azioni coerenti.
Implicazioni per le interfacce cervello-macchina
Secondo Yevgenia Kozorovitskiy, responsabile della parte sperimentale, e John A. Rogers, che ha guidato lo sviluppo tecnologico, lo studio dimostra che è possibile creare un nuovo canale sensoriale artificiale direttamente nel cervello. Le applicazioni potenziali includono il ripristino di sensi perduti, il feedback percettivo per protesi avanzate, nuove terapie per il dolore cronico e lo sviluppo di interfacce neurali all-optical a bassa invasività.
Un passo avanti nella neurobiologia e nella bioelettronica
Il lavoro rappresenta un’evoluzione decisiva rispetto ai precedenti impianti a singolo LED, aprendo la strada a array sempre più densi e a stimolazioni personalizzate. Dimostra che la percezione non è vincolata esclusivamente agli organi sensoriali naturali, ma può essere costruita artificialmente attraverso pattern di attivazione neurale ben definiti.
Domande frequenti sulle percezioni artificiali optogenetiche
Che cosa sono le percezioni artificiali
Sono esperienze percettive generate da stimolazioni dirette del cervello, senza l’uso dei sensi naturali.
Perché usare la luce invece di impulsi elettrici
La luce consente una stimolazione più selettiva e mirata di specifici neuroni geneticamente modificati.
Il dispositivo è invasivo
L’impianto è minimamente invasivo, flessibile e completamente wireless, progettato per ridurre al minimo l’impatto biologico.
Quali applicazioni future sono previste
Neuroprotesi sensoriali, riabilitazione neurologica, terapie per il dolore e nuove interfacce cervello-macchina.
