Neuroprotesi con segnali comprensibili al cervello

Qualche anno fa, il team di ricerca guidato da Stanisa Raspopovic del Laboratorio di Neuroingegneria dell'ETH di Zurigo ha fatto scalpore in tutto il mondo quando i ricercatori hanno riferito che le loro protesi di gamba permettevano agli amputati di sentire per la prima volta la parte del corpo sostituita. A differenza delle protesi di gamba attualmente disponibili, che si limitano a sostenere le persone amputate, le protesi dei ricercatori dell'ETH sono state collegate al nervo sciatico nel moncone della coscia per mezzo di elettrodi impiantati.

In questo modo le neuroprotesi hanno potuto trasmettere informazioni al cervello, ad esempio su chi siamo e sul carico di pressione che cambia costantemente sulla suola della protesi quando si cammina. Di conseguenza, i soggetti sottoposti al test si sono fidati di più della parte del corpo sostituita e sono stati in grado di camminare più velocemente su superfici difficili, ad esempio. "A differenza della nostra protesi di gamba sperimentale, tuttavia, le attuali neuroprotesi non sono ancora in grado di creare una sensazione naturale. Al contrario, spesso provocano sensazioni spiacevoli, come un formicolio sulla pelle", spiega Raspopovic.

Ciò è probabilmente dovuto anche al fatto che le attuali neuroprotesi utilizzano pulsazioni elettriche ripetute regolarmente per stimolare il sistema nervoso. "Questo è innaturale e inefficiente", afferma Raspopovic. Come lui e il suo team hanno dimostrato in un articolo pubblicato di recente, utilizzando l'esempio delle loro protesi per le gambe, nello sviluppo della prossima generazione di neuroprotesi vale la pena concentrarsi sulla stimolazione biomimetica, ossia su segnali che si ispirano alla natura.

Il modello simula l'attività nervosa della pianta del piede

Per generare questi segnali biomimetici, Natalija Katic, dottoranda del gruppo di ricerca di Raspopovic, ha sviluppato un modello al computer chiamato FootSim. Il modello si basa sui dati di ricercatori canadesi che hanno registrato l'attività di speciali cellule sensoriali, note come meccanorecettori, nella pianta del piede mentre toccavano i piedi di volontari sani in vari punti con uno stato maggiore vibrante.

Il modello simula il comportamento dinamico di un gran numero di meccanocettori nella pianta del piede e calcola i segnali nervosi che dal piede risalgono la gamba verso il cervello alla velocità della luce. Questo inizia dal momento in cui il piede tocca il suolo con il tallone, poi il peso del corpo rotola sul bordo esterno del piede fino a quando le dita vengono nuovamente tirate su per il passo successivo. "Il modello ci mostra come si comportano le cellule sensoriali della pianta del piede durante la camminata o la corsa, cosa impossibile da misurare sperimentalmente", spiega Katic.

Sovraccarico di informazioni nel midollo spinale

Giacomo Valle, postdoc del gruppo di ricerca di Raspopovic, e colleghi in Germania, Serbia e Russia hanno testato la corrispondenza tra questi segnali biomimetici calcolati dal modello e i segnali nervosi reali in un esperimento con i gatti, il cui sistema nervoso elabora i movimenti in modo simile a quello degli esseri umani. Gli esperimenti si sono svolti presso l'Istituto di fisiologia Pavlov di San Pietroburgo nel 2019 e sono stati condotti in conformità alle linee guida dell'Unione Europea.

I ricercatori hanno impiantato degli elettrodi, alcuni dei quali collegati al nervo della zampa e altri al midollo spinale, per leggere come vengono trasmessi i segnali nel sistema nervoso. Quando i ricercatori hanno esercitato una pressione sulla zampa del gatto dal basso, sollecitando la naturale attività nervosa durante il passo del gatto, i modelli di attività registrati nel midollo spinale assomigliavano effettivamente a quelli osservati nel midollo spinale dopo che i ricercatori avevano stimolato il nervo della zampa con segnali biomimetici.

Al contrario, la stimolazione rigida convenzionale del nervo sciatico nella coscia dei gatti ha evocato un modello significativamente diverso nel midollo spinale. "I metodi di stimolazione abituali apparentemente portano le reti neuronali della colonna vertebrale a essere inondate di informazioni", spiega Valle. "Questo sovraccarico potrebbe essere la causa delle sensazioni sgradevoli o delle parestesie che alcuni pazienti riferiscono quando indossano le neuroprotesi", aggiunge Raspopovic.

Imparare il linguaggio del sistema nervoso

I ricercatori hanno infine dimostrato che la stimolazione biomimetica è superiore alla stimolazione rigida nello studio clinico condotto su amputati di gamba. I segnali modellati sulla natura hanno chiaramente portato a risultati migliori: I soggetti del test sono stati in grado di salire le scale più rapidamente. Hanno anche commesso meno errori quando hanno cercato di sillabare parole al contrario mentre salivano le scale. "Grazie alla neurostimolazione biomimetica, i soggetti del test possono anche concentrarsi su altre cose mentre camminano. Ciò dimostra che questo tipo di stimolazione viene elaborato in modo più naturale e sottopone il cervello a minori sforzi", afferma Raspopovic.

Il professore dell'ETH presso l'Istituto di Robotica e Sistemi Intelligenti ritiene che le nuove scoperte non siano importanti solo per le gambe protesiche a cui lui e il suo team stanno lavorando da Chi siamo da oltre cinque anni. Anche per una serie di altri strumenti e dispositivi, come gli impianti spinali o gli elettrodi per la stimolazione cerebrale, è importante abbandonare la stimolazione innaturale e rigidamente ripetitiva utilizzata finora e utilizzare invece segnali biomimetici. "Dobbiamo imparare il linguaggio del sistema nervoso", afferma Raspopovic. "Così potremo comunicare con il cervello in modo che ci capisca bene".