Suono ed acustica per curare

Suono ed acustica oggi sono a pieno titolo strumenti della medicina e il loro uso si estende oltre la gamma delle frequenze udibili: 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

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Suono ed acustica oggi sono a pieno titolo strumenti della medicina e il loro uso si estende oltre la gamma delle frequenze udibili: 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.

In quattro laboratori di Stanford, gli scienziati stanno studiando l’intero spettro, sfruttando le sfumature del rumore e la potenza dell’acustica per generare tecnologie innovative ed inaspettate, che mostrano quanto potente possa essere la combinazione di suono e scienza.

Trasformare il fastidio in vantaggio

Niente provoca irritazione del ronzio di una zanzara ma il suo suono acuto può effettivamente aiutare a frenare la crescita delle popolazioni di zanzare e, soprattutto, le malattie che trasmettono agli esseri umani. Questa, almeno, è la premessa alla base della nuova app di Manu Prakash, Abuzz.

Prakash, professore di bioingegneria, ha creato Abuzz per identificare e taggare digitalmente le specie di zanzare in base ai loro ronzii. La sua obiettivo è quello di costruire un “paesaggio sonoro” in grado di mappare l’ubicazione globale di questi vettori e fornire dettagli sulle malattie che possono trasportare – Zika, malaria, dengue e simili.

Prakash afferma che tutto ciò di cui ha bisogno è una base di utenti con accesso ai cellulari.

“Il nostro obiettivo è mettere i dati nelle mani della gente del posto e delle organizzazioni sanitarie pubbliche che si concentrano sull’eliminazione delle malattie delle zanzare“, afferma Prakash. “Vogliamo ottenere dettagli sull’ecologia delle zanzare – specie, malattie associate, posizione della registrazione – in modo da creare un sistema di consapevolezza e allerta mondiale per le zanzare portatrici di malattie”.

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Naturalmente, popolare una mappa di questo tipo richiederà tempo e molti utenti. Allora come si raccolgono così tanti dati dagli angoli più remoti del globo? Reclutamento e una semplice sessione di formazione, dice Prakash, che consiste in quattro passaggi fondamentali: avventurarsi all’aperto, avvicinarsi a una zanzara, registrare il suo ronzio e inviare i dati ad Abuzz per l’analisi.

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Abuzz – l’app Shazam del mondo degli insetti – utilizza un software per determinare se il rumore registrato è davvero una zanzara e non, magari, una mosca domestica, un jet distante o un altro suono ingannatore. Quindi, confronta la registrazione con un database di diversi ronzi 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.

“La cosa bella di Abuzz è che non si limita solo alle zanzare. In questo momento, stiamo valutando se possiamo utilizzare questo metodo per identificare le api malate rispetto a quelle sane”.

Idealmente, conoscere le regioni geografiche in cui sono registrate specie particolari di zanzare può aiutare a combattere la moltiplicazione indesiderata. “La gente del posto potrebbe cercare le probabili zone di riproduzione delle zanzare e rimuovere le larve”, suggerisce Prakash.

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Oppure, su scala più ampia, le agenzie che cercano di ostacolare la crescita delle popolazioni rilasciando zanzare geneticamente modificate potrebbero utilizzare le informazioni per mirare più precisamente a regioni e specie (Rilasciare un esercito di zanzare nell’etere può sembrare un controsenso, ma le modifiche genetiche in queste zanzare rendono la loro prole non vitale, contribuendo a ridurre una popolazione in crescita).

“La cosa bella di Abuzz è che non si limita solo alle zanzare”, afferma Prakash. “In questo momento, stiamo esaminando se possiamo utilizzare questo metodo per identificare le api malate rispetto a quelle sane”.

Suono e acustica per curare attraverso una sinfonia

Le cellule cardiache sono tra le più densamente imballate nel corpo: circa 100 milioni si trovano in uno spazio delle dimensioni di una zolletta di zucchero. La struttura compatta permette alle cellule così vicine tra loro di poter trasmettere gli impulsi elettrici quasi istantaneamente e di contrarsi come un corpo unico generando la pulsazione cardiaca.

Per i bioingengneri la complessità della struttura del cuore rappresenta un ostacolo difficile: in un ipotetico cuore artificiale ottenuto con tessuti ingegnerizzati imballare le cellule troppo strettamente impedirebbe ad alcune di ricevere i nutrienti adeguati; lasciarle troppo lasche impedirebbe, però, di coordinare il battito.

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Il cardiologo Sean Wu, MD, PhD, stava indagando sul problema quando ha incontrato Utkan Demirci  PhD, un bioingegnere acustico e professore di radiologia. “Utkan ha sollevato questa idea che potremmo usare l’acustica per impacchettare le cellule in modo molto denso e mantenere comunque la capacità di controllare e mettere a punto la loro organizzazione – e siamo rimasti davvero entusiasti”, dice Wu, professore associato di medicina.

L’idea di Demirci sfrutta suono e acustica per generare 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 assistito alle onde di Faraday nella tua tazza). Le onde provocano increspature nel liquido, e anche tutto ciò che galleggia nel liquido scorre.

“È possibile attivare quelle increspature su microscala”, spiega Demirci. “Come quando le maree dell’oceano trascinano a riva i tesori di una nave affondata – stiamo facendo la stessa cosa con le cellule cardiache.” La grande differenza, tuttavia, è che Demirci e Wu possono controllare lo “swell” sintonizzando una manopola che cambia le onde.

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Wu e Demirci possono quindi guidare le cellule del cuore in quasi tutti gli schemi che desiderano. “Puoi creare triangoli, forme esagonali, cerchi, linee – puoi persino creare una piccola forma umana”, dice Demirci.

“E,” aggiunge Wu, “se non ti piace lo schema, per qualsiasi motivo, puoi cambiarlo, letteralmente, entro cinque o sei secondi. Modifichi la frequenza e l’ampiezza e le cellule si spostano in un nuovo punto proprio davanti ai tuoi occhi”.

A differenza di altre tattiche di ingegneria tissutale, suono ed acustica posizionano le cellule cardiache in una configurazione stretta che ricorda da vicino il tessuto cardiaco naturale, trasformando il blob risultante in qualcosa di prezioso per la medicina.

Wu e Demirci pensano che suono ed acustica utilizzate dall’l’ingegneria acustica sanitaria potrebbe aiutare a promuovere modelli più realistici di malattie cardiache e screening dei farmaci. Più distante, ma all’orizzonte, la coppia vede persino il tessuto generato come un’opzione per i cerotti cardiaci in pazienti che hanno pareti cardiache deboli o hanno danni da un attacco di cuore.

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Per il futuro, Demirci e Wu affermano che hanno in programma di aggiungere la vascolarizzazione – un sistema di condotti che trasportano sangue e ossigeno a varie parti di un organo – per rendere il tessuto cardiaco generato ancora più realistico, sempre utilizzando suono ed acustica per guidarne lo sviluppo.

Una sinfonia nel cervello

Durante l’ascolto di un quartetto d’archi su registrazioni di onde di plasma catturate nello spazio e convertite in suono, il neurologo Josef Parvizi, MD, PhD, ha immaginato di utilizzare suono ed acustica per generare una sua sinfonia tutta particolare. Se si riesce a trasformare i segnali dello spazio in suono, forse è possibile trasformare anche le onde cerebrali in suono.

Così Parvizi ha inviato un’e-mail a Christopher Chafe, un compositore esperto nella conversione di set di suoni ed acustica derivati da dati atipici in musica, e ha spiegato la sua visione. Parvizi, professore di neurologia, descrive cosa è successo dopo: “Un professore di musica pazzo e un neurologo pazzo hanno collaborato ad una strana idea”. Chafe è il direttore del Center for Computer Research in Music and Acoustics di Stanford.

Dopo diversi anni di perfezionamento, l’utilizzo di suono ed acustica a scopo diagnostico si è sviluppat in qualcosa che Parvizi ha soprannominato lo stetoscopio del cervello.

Lo strumento, che non è invasivo e ha l’aspetto di una fascia antisudore, si aggancia alla testa di una persona e i suoi elettrodi registrano i segnali elettrici del cervello. Con la semplice pressione di un pulsante, quei segnali vengono convertiti in suono che proviene da un piccolo altoparlante collegato alla fascia. L’idea è che i medici possano “sentire” il tono del cervello, per interpretare le anomalie di funzionamento.

“Immagina di aprire la finestra di una camera d’albergo e l’intera città sta cantando esattamente la stessa cosa”, dice Parvizi. “Potresti 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 è scoperto che la differenza udibile tra un cervello in crisi e un cervello normale è abbastanza netta; quasi chiunque può sentirlo.

“Madri e padri potrebbero essere in grado, con questo strumento, di sapere se il loro bambino ha un attacco epilettico in modo che cerchino assistenza professionale in tempo”.
Ovviamente, riconosce Parvizi, se qualcuno ha le convulsioni e trema, non hai bisogno di uno stetoscopio per capire che ha un attacco. “Ma esistono manifestazioni subcliniche non convulsive e quelle non hanno sintomi fisici evidenti“.

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Ma hanno ancora alcuni sintomi sottili. Qualcuno che sta attraversando una di queste tempeste silenziose potrebbe apparire disorientato e non rispondere, oppure potrebbe addormentarsi improvvisamente. Il fatto che questo tipo di convulsioni sia spesso quasi invisibile non vuol dire che siano meno minacciose per la salute.

“In questo momento, i pazienti hanno bisogno di un neurologo qualificato per rilevare un attacco. Può essere controverso, ma il mio obiettivo è consentire a chiunque di rilevarli – tutti i tipi di medici, infermieri e tirocinanti”.

Anche i genitori.

Nel maggio 2017, la FDA ha dato il via libera all’invenzione di Parvizi basata su suono ed acustica e da allora ha testato le capacità dello stetoscopio cerebrale in diversi ospedali, trovando risultati incoraggianti.

“Questo potrebbe cambiare radicalmente l’assistenza sanitaria quando si tratta di monitorare il cervello”.

Insomma, suono ed acustica sembrano essere in grado di fare molto di più che compiacere le nostre orecchie con la musica.

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