Un magnetrode avanzato basato su sensori TMR per la registrazione in vivo del campo magnetico LFP

Ascoltare il cervello senza toccarne le scintille

I nostri cervelli sono pervasi ogni secondo da piccole tempeste elettriche, e imparare a leggerle potrebbe alimentare future interfacce cervello–computer che aiutino le persone a muoversi, comunicare o persino giocare usando solo il pensiero. Questo studio presenta un nuovo modo di ascoltare l’attività cerebrale, non misurando direttamente l’elettricità, ma rilevando i deboli campi magnetici prodotti dalle cellule cerebrali, mediante un dispositivo sottile come un capello chiamato magnetrode.

Un nuovo tipo di minuscola sonda cerebrale

I ricercatori hanno costruito una sonda miniaturizzata basata sulla magnetoresistenza a effetto tunnel, una tecnologia sviluppata originariamente per sensori magnetici avanzati. La punta attiva del loro dispositivo è larga solo decine di micrometri, abbastanza piccola da poter essere impiantata nel cervello con danni limitati. Invece di registrare la tensione come un elettrodo tradizionale, questo magnetrode reagisce ai piccoli campi magnetici prodotti quando gruppi di neuroni in una regione vicina si attivano insieme. Questi segnali combinati, chiamati potenziali di campo locale, riflettono come le reti di cellule cerebrali si coordinano durante movimento, memoria e malattia. Il team ha modellato e interconnesso accuratamente gli elementi del sensore per mantenere la sonda sensibile riducendo al contempo lo sfasamento magnetico indesiderato, in modo che potesse seguire variazioni lente e rapide dell’attività cerebrale.

Vedere i segnali cerebrali più deboli

Poiché i campi magnetici dei neuroni sono estremamente deboli, il sensore deve essere sufficientemente silenzioso da distinguerli dal rumore elettronico. Gli autori hanno misurato quanta fluttuazione casuale il dispositivo producesse a diverse frequenze e impostazioni di alimentazione elettrica. Hanno scoperto che il rumore a bassa frequenza di tipo “1 su f” dominava la gamma in cui risiedono molti ritmi cerebrali. Riducendo la corrente di polarizzazione che alimenta il dispositivo e passando da una guida continua a una a corrente alternata ad alta frequenza, hanno dimostrato che questo rumore problematico può essere fortemente soppresso. I limiti di rilevamento risultanti, solo pochi nanotesla a un ciclo al secondo e ancora più piccoli a frequenze più alte, si confrontavano favorevolmente con precedenti sonde magnetiche impiantabili e con strumenti di misurazione del campo magnetico molto più ingombranti che non possono essere impiantati.

Test con segnali cerebrali artificiali e reali

Per verificare se la loro sonda potesse seguire fedelmente i potenziali di campo locale, il team ha prima creato un test controllato in laboratorio. Un sottile filo di rame, alimentato da un generatore di segnali neurali specializzato, imitava le correnti coordinate di un piccolo gruppo di neuroni. Il magnetrode era posizionato vicino a questo filo all’interno di un contenitore schermato, e la sua uscita veniva amplificata, filtrata e poi ricostruita matematicamente. Dopo l’elaborazione, il segnale magnetico corrispondeva da vicino al modello di potenziale di campo locale di riferimento, mostrando che il sensore e l’elettronica potevano recuperare la forma e la tempistica di questi ritmi cerebrali lenti.

Ascoltare dentro un cervello vivente

La prova più importante è stata condotta in ratti vivi. I ricercatori hanno impiantato delicatamente la sonda magnetica e un microelettrodo standard a meno di un decimo di millimetro di distanza nell’ippocampo, una regione profonda del cervello coinvolta nella memoria. Poiché entrambi i dispositivi campionavano quasi lo stesso gruppo di neuroni, le registrazioni elettriche e magnetiche potevano essere confrontate direttamente. Su diversi segmenti di centinaia di secondi, il team ha analizzato l’intensità delle diverse bande di frequenza in entrambi i segnali. Gli spettri magnetici ed elettrici salivano e scendevano insieme attraverso i ritmi cerebrali chiave, specialmente nelle gamme theta e beta, e una misura statistica di somiglianza è rimasta alta e costante. Per contro, le registrazioni effettuate dal magnetrode prima dell’impianto, quando raccoglieva solo il rumore di fondo, mostravano un accordo molto più scarso con i segnali elettrici, confermando che le tracce magnetiche rilevate nel cervello riflettevano effettivamente l’attività neurale.

Progettato per sopravvivere all’ambiente cerebrale

Qualsiasi impianto deve rimanere stabile nel fluido cerebrale caldo e salino. Per testarne la durabilità, i magnetrodi sono stati immersi in fluido cerebrospinale artificiale a temperatura corporea per una settimana. Il team ha misurato ripetutamente quanto intensamente il dispositivo rispondeva a campi magnetici di prova e quanto variava la sua resistenza. Sia la sensibilità sia l’intensità del segnale sono variate di meno di pochi percento, suggerendo che gli strati protettivi attorno al sensore bloccavano efficacemente la corrosione e che la sonda poteva fornire letture affidabili nei tempi necessari per esperimenti tipici.

Cosa significa per le future interfacce cerebrali

Questo lavoro mostra che un piccolo sensore magnetico impiantato può tracciare gli stessi ritmi cerebrali che vedono gli elettrodi standard, sfruttando al contempo il fatto che i campi magnetici attraversano il tessuto in modo più trasparente. Per il lettore non specialista, l’idea chiave è che l’attività cerebrale può essere monitorata non solo toccando le sue cariche elettriche, ma anche percependone gli echi magnetici. Il magnetrode sviluppato qui è compatto, sensibile e sufficientemente stabile da essere utilizzato come nuovo tipo di dispositivo di ascolto per il cervello, potenzialmente arricchendo gli strumenti per le interfacce cervello–computer e per lo studio di disturbi legati a ritmi neurali anomali.

Citazione: Wang, Y., Luo, J., Zhang, C. et al. An advanced TMR sensor-based magnetrode for in vivo LFP magnetic field recording. Microsyst Nanoeng 12, 177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01262-9

Parole chiave: registrazione magnetica cerebrale, potenziali di campo locale, magnetoresistenza a effetto tunnel, interfacce neurali, interfaccia cervello-computer