La protesi sensoriale per le gambe migliora la salute

Le persone con gambe intatte possono sentire quando muovono il ginocchio o quando i piedi toccano il suolo. Il loro sistema nervoso utilizza costantemente questo feedback sensoriale per controllare con precisione i muscoli. Tuttavia, le persone che devono sponsorizzare una protesi di gamba non sanno esattamente dove si trova la protesi e come si muove. Per queste persone è difficile fidarsi della protesi quando camminano e quindi spesso fanno troppo affidamento solo sulla gamba intatta. La loro mobilità è quindi limitata e si stancano rapidamente. Inoltre, le persone con un arto amputato soffrono spesso di dolore fantasma, difficile da trattare con i farmaci.

Un team internazionale di ricercatori guidato dall'ETH di Zurigo e dalla start-up losannese Sensars ha sviluppato un'interfaccia per collegare una gamba protesica con i nervi della coscia dell'utente e consentire così un feedback sensoriale. In uno studio condotto in collaborazione con l'Università di Belgrado, gli scienziati hanno testato questo sistema di neurofeedback su due utenti volontari di protesi a cui era stata amputata una gamba sopra il ginocchio.

"Il nostro studio di fattibilità dimostra quanto sia vantaggioso per la salute degli amputati di gamba avere una protesi che lavora con impianti neurali per ripristinare il feedback sensoriale", afferma Stanisa Raspopovic, professore dell'Istituto di Robotica e Sistemi Intelligenti dell'ETH di Zurigo. Lui e i suoi colleghi riferiscono del loro lavoro nel numero attuale della rivista scientifica pagina esternaMedicina naturale.

Conversione di segnali artificiali in segnali naturali

Nello studio, gli scienziati hanno utilizzato una protesi disponibile in commercio con un'articolazione elettronica del ginocchio ad alta tecnologia. Hanno collegato dei sensori tattili alla pianta del piede protesico. Durante il periodo di studio di tre mesi, i chirurghi hanno posizionato piccoli elettrodi nelle cosce dei soggetti testati e li hanno collegati ai nervi delle gambe che si trovano lì.

"L'obiettivo dell'operazione era quello di posizionare gli elettrodi nei punti giusti all'interno del nervo per consentire il ripristino di un feedback sensoriale realistico e per garantire la stabilità degli elettrodi", afferma Marko Bumbasirevic, professore e microchirurgo ortopedico presso il Centro clinico della Serbia a Belgrado, responsabile dell'impianto dell'elettrodo. Gli elettrodi sono stati sviluppati dai ricercatori dell'Università di Friburgo i.Br., mentre le protesi provengono dall'azienda di protesi Össur, entrambe coinvolte attivamente nel progetto.

Il team di ricerca ha sviluppato algoritmi per tradurre le informazioni provenienti dal sensore tattile sulla pianta del piede e dai sensori di movimento nell'articolazione elettronica del ginocchio in impulsi di corrente - il linguaggio del sistema nervoso. Gli elettrodi trasmettevano questi impulsi al nervo e la natura si occupava del resto: i segnali nervosi venivano trasmessi al cervello, permettendo allo sponsor di percepire la protesi e di regolare l'andatura di conseguenza. Macchina e corpo diventavano così un'unica unità.

Minore sforzo per camminare

Nell'ambito dello studio, i soggetti hanno completato una serie di test, alternando la camminata con e senza neurofeedback. I risultati hanno mostrato chiaramente i benefici del feedback: camminare con il neurofeedback è stato molto meno faticoso per i soggetti, il che si è riflesso in un consumo di ossigeno significativamente ridotto. Camminare con il neurofeedback era anche meno faticoso dal punto di vista mentale, come hanno dimostrato i ricercatori con le misurazioni dell'attività cerebrale. I soggetti in esame non dovevano concentrarsi tanto sulla camminata e potevano invece concentrare la loro attenzione su altri compiti.

In un test difficile, i soggetti dovevano camminare sulla sabbia. Il feedback ha permesso loro di camminare molto più velocemente. Nei sondaggi, i soggetti hanno dichiarato che il neurofeedback ha aumentato notevolmente la loro fiducia nella protesi.

Meno dolore fantasma

L'interfaccia con il sistema nervoso può essere utilizzata anche per stimolare i nervi indipendentemente dalla protesi. Prima di iniziare lo studio, entrambi i partecipanti lamentavano un dolore fantasma. Savo Panic, uno dei soggetti del test, si svegliava spesso di notte a causa del dolore fantasma. "L'alluce che non ho mi faceva male - l'alluce, il piede, il tallone, la caviglia e il polpaccio, tutto mi faceva male, e non ho più nulla di tutto ciò", racconta. Nell'ambito di un programma di terapia di neurostimolazione della durata di un mese, gli scienziati sono riusciti a ridurre significativamente il dolore in uno dei soggetti del test, mentre il dolore di Panic è addirittura scomparso del tutto. "Da quando ho iniziato il programma di neurostimolazione, non ho più il dolore dell'arto fantasma", dice Panic.

I ricercatori sono ottimisti riguardo a questi risultati. Tuttavia, sottolineano che per poter trarre conclusioni più affidabili è necessario uno studio più lungo, in cui un numero maggiore di soggetti testino il sistema nella vita di tutti i giorni. Per la sperimentazione clinica limitata nel tempo, i segnali della protesi sono stati trasmessi tramite cavi attraverso la pelle agli elettrodi nella coscia. Ciò significava che i partecipanti alla sperimentazione dovevano sottoporsi a regolari visite mediche. Per evitare questo inconveniente, gli scienziati intendono sviluppare un sistema completamente impiantabile. "Alla Sensars stiamo progettando di sviluppare un dispositivo di neurostimolazione wireless che possa essere completamente impiantato nel paziente come un pacemaker e immesso sul mercato", afferma Francesco Petrini, CEO di Sensars.

Oltre all'ETH di Zurigo, alle Università di Belgrado e Friburgo i.Br., a Sensars e Össur, hanno partecipato al progetto anche ricercatori dell'EPFL, della Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa, dell'Università di Montpellier e della società mBrainTrain.