I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista internazionale Nature Materials
Il laboratorio di Tissue Electronics coordinato da Francesca Santoro dell’Istituto Italiano di Tecnologia, in collaborazione con il team di ricerca coordinato da Yoeri van de Burgt dell’Università di Eindhoven (NE) e il gruppo di Alberto Salleo dell’Università di Stanford (US,) ha sviluppato il primo modello di sinapsi artificiale – ibrida, composta da un’interfaccia biologica e una piattaforma elettronica, in grado di simulare il comportamento delle sinapsi.
I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista internazionale Nature Materials.
Nel sistema nervoso le sinapsi mettono in comunicazione il neurone presinaptico con quello postsinaptico, garantendo la trasmissione degli impulsi elettrici che costituiscono il segnale nervoso.
Nel modello bioibrido realizzato in laboratorio dal team internazionale, per simulare il neurone presinaptico sono state scelte cellule che hanno un comportamento simile a quello dei neuroni, in grado di rilasciare come neurotrasmettitore la dopamina, tipicamente usate nei laboratori per studi preliminari, mentre per simulare il neurone post sinaptico, i ricercatori hanno scelto un chip neuromorfico organico in grado di conservare memoria in seguito ad una stimolazione elettrica.
Le sinapsi infatti, sono caratterizzate da plasticità, ossia come il pongo, sono in grado di adattarsi in base alla modificazione dell’ambiente interno e esterno e di mantenere memoria delle modifiche apportate. Cambiano continuamente per numero e intensità, in un perpetuo equilibrio che consente al cervello di valorizzare alcuni stimoli tralasciandone altri.
Il team dell’Università di Stanford ha lavorato alla realizzazione del sistema elettronico, il gruppo di Eindhoven alla microfluidica, mentre i ricercatori dell’Istituto Italiano di Tecnologia si sono occupati dell’accoppiamento diretto delle cellule sul microchip e della misurazione delle variazioni dell’attività elettrica del chip.
Analizzando le variazioni dell’attività elettrica, il team multidisciplinare ha scoperto che il chip è in grado di individuare i neurotrasmettitori (dopamina) rilasciati dalle cellule che simulano il neurone presinaptico, e di conservare nel tempo lo stato di eccitamento alterato raggiunto, il cosiddetto effetto memoria, dimostrando di essere riusciti a ricreare in laboratorio la plasticità sinaptica e quindi che il modello di sinapsi bioibrida è promettente per costituire una connessione tra neuroni del sistema nervoso.
“Ѐ la prima volta che un dispositivo elettronico neuromorfico viene direttamente interfacciato con un sistema cellulare per ottenere una piattaforma in grado di riprodurre la plasticità sinaptica a breve e a lungo termine” – dichiara Francesca Santoro, coordinatrice della linea di ricerca Tissue Electronics di IIT. – “Prima di questo studio erano stati realizzati sistemi capaci di ricevere stimoli, ma non in grado di eccitarsi e mantenere l’eccitamento a loro volta”.
I risultati dello studio gettano le basi per nuove ricerche utili al futuro della medicina, per esempio nell’ambito delle malattie neurodegenerative, in cui si assiste alla perdita di comunicazione tra neuroni e dove i dispositivi bioibridi potrebbero introdurre o ripristinare le connessioni neuronali danneggiate, ma anche nell’ambito delle amputazioni, dove questi dipositivi potrebbero fare da ponte tra le terminazioni nervose biologiche preservate e i circuiti delle protesi artificiali robotiche di nuova generazione.
In questa fase della ricerca non è ancora stata raggiunta la scala temporale di una sinpasi biologica, tuttavia i ricercatori hanno osservato che la dinamica della connessione è prossima a quella tra due neuroni e che diminuendo le dimensioni della piattaforma elettronica ci si avvicina in maniera sensibile.
Per approfondimenti: “A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity” https://www.nature.com/articles/s41563-020-0703-y
