Ricerca sonora
Le innovazioni scientifiche sfruttano il rumore e l'acustica per la guarigione
Dallo stetoscopio originale, inventato più di 200 anni fa, al fugace cinguettio delle onde gravitazionali, il suono si è riverberato nella storia dei progressi tecnologici e scientifici.
Oggi, il ruolo del suono nella scienza si estende oltre la gamma delle frequenze udibili: gli ultrasuoni e altre onde acustiche silenziose si sono fatte strada nel repertorio dei ricercatori, aiutandoli a spingere i confini della medicina convenzionale e della ricerca.
Negli esempi di quattro laboratori di Stanford, gli scienziati stanno studiando l'intero spettro, sfruttando le sfumature del rumore e la potenza dell'acustica per generare tecnologie creative, se non inaspettate, che mostrano quanto potente possa essere la combinazione di suono e scienza.
Trasformare il fastidioso
in vantaggio
Niente provoca irritazione allo stesso modo di una zanzara in agguato. Ma il suo drone acuto può effettivamente aiutare a frenare i picchi nelle popolazioni di zanzare e, cosa più importante, le malattie che trasmettono agli umani. Questa, almeno, è la premessa alla base della nuova app lanciata da Manu Prakash , Abuzz .
Prakash, PhD, assistente professore di bioingegneria, ha creato Abuzz per identificare ed etichettare digitalmente le specie di zanzare in base ai loro ronzii. La sua visione: costruire un "paesaggio sonoro" che mappi la posizione globale di questi voraci vettori e fornisca dettagli sulle malattie che possono portare: Zika, malaria, dengue e simili. Può sembrare alto, ma Prakash afferma che tutto ciò di cui ha bisogno è una base di utenti accaniti con accesso ai cellulari (telefoni "stupidi" come un telefono a conchiglia fanno il taglio).
"Il nostro obiettivo è mettere i dati nelle mani della gente del posto e delle organizzazioni sanitarie pubbliche che si concentrano sull'eliminazione della malattia delle zanzare", afferma Prakash. "Vogliamo che questo fornisca dettagli sull'ecologia delle zanzare - specie, malattie associate, posizione della registrazione - in modo che possa essere un sistema di sensibilizzazione e allerta mondiale per le zanzare portatrici di malattie".
Naturalmente, popolare una tale mappa richiederà tempo e molti utenti. Quindi, come si fa a raccogliere così tanti dati da angoli remoti del globo? Reclutamento e una semplice sessione di addestramento, dice Prakash, che consiste in quattro passaggi fondamentali: avventurarsi, avvicinarsi di soppiatto a una zanzara (o lasciare che si avvicini a te), registrare il suo ronzio acuto e inviare i dati ad Abuzz per l'analisi.
Abuzz, l'app Shazam del mondo degli insetti, utilizza un software per determinare se il rumore registrato è davvero una zanzara, non una mosca domestica, un jet distante o un altro impostore. Quindi, confronta la registrazione con un database di diversi ronzii di zanzara e cerca di trovare una corrispondenza. Questo è possibile perché ogni specie di zanzara emette un suono unico, generato dal battito delle sue ali.
Idealmente, conoscere le regioni geografiche in cui sono registrate specifiche specie di zanzare può aiutare a combattere la moltiplicazione indesiderata. "La gente del posto potrebbe cercare nel loro quartiere probabili aree di deposizione delle zanzare e rimuovere le larve", suggerisce Prakash.
Oppure, su scala più ampia, le agenzie che cercano di ostacolare le popolazioni rilasciando zanzare geneticamente modificate potrebbero utilizzare le informazioni per colpire più precisamente regioni e specie. (Rilasciare un esercito di zanzare nell'etere può sembrare piuttosto vile, ma le modificazioni genetiche in queste zanzare rendono la loro prole non vitale, contribuendo a ridurre una popolazione rampicante.)
"La cosa bella di Abuzz è che non si limita solo alle zanzare", afferma Prakash. "In questo momento, stiamo valutando se possiamo utilizzare questo metodo per identificare le api malate rispetto a quelle sane". Non hanno la risposta, ma mentre la salute delle api negli Stati Uniti continua a peggiorare, Prakash e il suo team sperano che la loro piattaforma possa aiutare a rivelare la biologia dietro più di un insetto volante.
Coreografia acustica
Le cellule del cuore sono tra le più dense del corpo: circa 100 milioni si inseriscono in uno spazio delle dimensioni di una zolletta di zucchero. La struttura compatta stipa le cellule così vicine che possono comunicare tra loro e battere come un grumo. Per gli ingegneri dei tessuti, tuttavia, rappresenta un ostacolo difficile: impacchettare le cellule troppo strettamente e alcune non riceveranno i nutrienti adeguati; troppo liberamente e non riescono a coordinare un battito.
Il cardiologo Sean Wu , MD, PhD, stava sondando il problema quando ha incontrato Utkan Demirci , PhD, un bioingegnere acustico e professore di radiologia. "Utkan ha sollevato l'idea che potremmo usare l'acustica per imballare le cellule molto densamente e mantenere ancora la capacità di controllare e sintonizzare la loro organizzazione - e ci siamo davvero eccitati", afferma Wu, professore associato di medicina.
L'idea di Demirci sfrutta un tipo di segnale acustico che crea onde di Faraday, che risultano da una perturbazione fisica all'interfaccia tra liquido e aria (se hai mai volato su un aereo turbolento con una bevanda, hai visto onde di Faraday nella tua tazza ). Le onde causano increspature nel liquido e anche tutto ciò che galleggia nel liquido si muove.
Utkan Demirci e Sean Wu usano l'acustica per manipolare le cellule del cuore in schemi intricati. Un semplice cambiamento di frequenza e ampiezza mette in movimento le cellule, le guida in una nuova posizione e le mantiene in posizione.
"Puoi innescare quelle increspature su microscala", spiega Demirci. "Come quando le maree dell'oceano portano a riva i tesori di una nave affondata, stiamo facendo la stessa cosa con le cellule del cuore". La grande differenza, però, è che Demirci e Wu possono controllare il “gonfio” sintonizzando una manopola che cambia le onde.
Wu e Demirci possono quindi guidare le cellule del cuore in quasi tutti i modelli che desiderano. "Puoi creare triangoli, forme esagonali, cerchi, linee - puoi persino creare una piccola forma umana", afferma Demirci.
“E,” aggiunge Wu, “se non ti piace lo schema, per qualsiasi motivo, puoi cambiarlo, letteralmente, entro cinque o sei secondi. Cambiate la frequenza e l'ampiezza e le cellule si spostano in un nuovo punto proprio davanti ai vostri occhi".
A differenza di altre tattiche di ingegneria dei tessuti, l'acustica posiziona le cellule del cuore in una configurazione stretta che ricorda da vicino il tessuto cardiaco naturale, trasformando la massa battente risultante in qualcosa di prezioso per la medicina.
Wu e Demirci pensano che l'ingegneria acustica potrebbe aiutare a promuovere modelli più realistici delle malattie cardiache e screening dei farmaci. Più lontano, ma ancora all'orizzonte, la coppia vede persino il loro tessuto generato come un'opzione per i cerotti cardiaci in pazienti che hanno pareti cardiache deboli o hanno danni da infarto.
Successivamente, Demirci e Wu affermano che intendono aggiungere la vascolarizzazione - condotti che trasportano sangue e ossigeno a varie parti di un organo - per rendere ancora più realistico il tessuto cardiaco generato.
Una sinfonia nel cervello
Mentre ascoltava un quartetto d'archi suonare su registrazioni di onde di plasma catturate nello spazio e convertite in suono, il neurologo Josef Parvizi , MD, PhD, ha immaginato una sinfonia tutta sua. Se riesci a trasformare i segnali dallo spazio in suoni, forse potresti trasformare anche le onde cerebrali in suoni, pensò.
Così Parvizi ha inviato un'e-mail inaspettata a Christopher Chafe , un compositore esperto nella conversione di set di dati atipici in musica, e ha spiegato la sua visione. Parvizi, professore di neurologia, descrive cosa è successo dopo: "Un pazzo professore di musica e un pazzo neurologo hanno deciso di collaborare a una strana idea". Chafe è il direttore del Center for Computer Research in Music and Acoustics di Stanford .
Dopo diversi anni di raffinamento, l'idea si è sviluppata in qualcosa che Parvizi ha soprannominato lo stetoscopio cerebrale.
Lo strumento, che non è invasivo e sembra una fascia antisudore, si aggancia alla testa di una persona e ascolta i segnali elettrici del cervello. Con la semplice pressione di un pulsante, questi segnali vengono convertiti in suoni che vengono trasmessi da un piccolo altoparlante collegato alla banda. Il pensiero è che i medici possano "sentire" il tono del cervello, in particolare se c'è un attacco.
"Immagina di aprire la finestra di una stanza d'albergo e l'intera città sta cantando esattamente la stessa cosa", dice Parvizi. “Puoi non sapere esattamente cosa sta succedendo, ma sai che non è normale. È la stessa idea con il cervello; non vuoi che i segnali siano troppo sincroni. Se lo sono, il cervello sta avendo un attacco”. Si scopre che la differenza udibile tra un cervello in crisi e un cervello normale è abbastanza netta; quasi chiunque può sentirlo.
Naturalmente, ammette Parvizi, se qualcuno ha le convulsioni e trema, non hai bisogno di uno stetoscopio per dirti che sta avendo un attacco. "Ma ci sono cose come le "convulsioni subcliniche non convulsive" e quelle non hanno i sintomi fisici evidenti".
Ma hanno ancora alcuni sintomi sottili. Qualcuno che ha una di queste tempeste silenziose potrebbe apparire disorientato e insensibile, oppure potrebbe addormentarsi improvvisamente. Agli occhi dell'opinione pubblica, questo tipo di sequestro passa più spesso sotto il radar, ma questo non vuol dire che sia meno pericoloso per la salute. Parvizi afferma che ora c'è una scorta di prove che dimostrano che le crisi epilettiche silenziose prolungate sono dannose per il cervello, specialmente nei bambini, il cui cervello è ancora in via di sviluppo.
“In questo momento, i pazienti hanno bisogno di un neurologo esperto per rilevare un attacco. Può essere controverso, ma il mio obiettivo è consentire a chiunque di rilevarli: tutti i tipi di medici, infermieri, tirocinanti".
Anche i genitori.
"Vuoi che mamme e papà siano in grado di sapere se il loro bambino sta avendo un attacco in modo che cerchino l'attenzione di un professionista", dice Parvizi.
Nel maggio 2017, la FDA ha dato il via libera all'invenzione di Parvizi e da allora ha testato le capacità dello stetoscopio in diversi ospedali, trovando risultati incoraggianti.
"Questo potrebbe cambiare drasticamente l'assistenza sanitaria quando si tratta di monitorare il cervello".
Potenziare la medicina impiantabile
Metti due chicchi di riso uno accanto all'altro e hai quasi replicato le dimensioni di un chip medico piuttosto esperto di nuova generazione ideato da Amin Arbabian, PhD, assistente professore di ingegneria elettrica. Il chip è un dispositivo impiantabile, come un pacemaker o uno stimolatore nervoso, ma si distingue per il modo in cui è alimentato, non da batterie o cavi, ma dal suono.
"È stata una sfida di vecchia data rendere i dispositivi medici il più piccoli possibile e operare in profondità nel corpo", afferma Arbabian. "Gli ultrasuoni lo consentono."
L'uso a lungo termine degli ultrasuoni nell'imaging fetale gli ha fatto guadagnare una reputazione in medicina per essere sicuri e affidabili, rendendolo un ottimo candidato per alimentare un chip che può essere incorporato nel corpo. Forse altrettanto importante, le delicate onde sonore supportano anche la versatilità. Un coltellino svizzero di dispositivi impiantabili, il chip può cambiare la sua funzione per soddisfare diverse esigenze biologiche. Le sue varie modalità sono controllate dalla stessa cosa che lo alimenta. "Gli ultrasuoni sono sia una fonte di alimentazione che un modo per comunicare con il dispositivo", afferma Arbabian.
Un minuscolo modulo, chiamato Harvester, si trova sul chip e converte le onde ultrasoniche in energia elettrica. Trasmettendo impulsi di ultrasuoni al chip, Arbabian può inviare comandi codificati, come il codice Morse. "Possiamo, ad esempio, istruirlo per iniziare a monitorare un determinato parametro, come la pressione sanguigna, o incanalare un impulso elettrico per stimolare un nervo o innescare il rilascio preciso di un farmaco in una posizione particolare".
L'obiettivo, dice, è creare un chip "intelligente" attivo o una rete distribuita di chip intelligenti non solo per eseguire comandi specifici, ma anche per monitorare parametri fisiologici e trasmettere dati utili sul paziente. Queste informazioni, su cose come i livelli di insulina o la pressione sanguigna, vengono inviate a un dispositivo esterno, dove i medici possono accedervi. In questo senso, Arbabian e il suo team di laboratorio stanno lavorando verso un sistema a circuito chiuso in cui l'impianto è autosufficiente e può funzionare senza problemi nel corpo, senza istruzioni costanti.
In un sistema a circuito chiuso, i sensori del chip attiverebbero il rilascio di una dose del suo agente terapeutico, che potrebbe essere un impulso elettrico o un farmaco racchiuso in una camera separata del chip. Nei pazienti con ipertensione, ad esempio, l'impianto monitorerebbe le arterie. Se il chip rilevasse un aumento della pressione sanguigna, somministrerebbe un farmaco per aiutare a ridurre la pressione.
"Potremmo vedere questo sistema funzionare per mantenere la pressione sanguigna o gestire l'incontinenza urinaria o il diabete", afferma Arbabian.
Lui e il suo team stanno lavorando alla prossima generazione dell'impianto e stanno collaborando con altri laboratori per testare la loro configurazione sugli animali. Hanno anche una collaborazione di ricerca con la FDA, che sta studiando in modo indipendente i prototipi.
"C'è ancora molto lavoro da fare", afferma Arbabian. "Ma ci sono molte ragioni per essere fiduciosi.
Hanae Armitage è una scrittrice scientifica presso l'Ufficio delle Comunicazioni. Scrivile a harmitag@stanford.edu .
Nessun commento:
Posta un commento