Immagine: lo scienziato dell’ EPFL, Gregoire Courtine, mostra alcuni elementi dell’interfaccia cervello/ colonna vertebrale. Credit: Hillary Sanctuary / EPFL
Due macachi sono tornati a camminare dopo una lesione spinale grazie ad un by-pass wireless capace di raccogliere gli impulsi elettrici nel cervello e inviarli a un chip impiantato nel midollo spinale, ‘scavalcando’ il tratto interrotto.
La ricerca è stata pubblicata dalla rivista Nature.
Lo studio è stato condotto da scienziati e neuroingegneri in una collaborazione guidata da Ecole Polytechnique Fédérale di Losanna (EPFL) in Svizzera, insieme alla Brown University, Medtronic e Fraunhofer ICT-IMM in Germania. Il lavoro si basa su tecnologie neurali sviluppate dalla Brown e partner, testate in collaborazione con l’Università di Bordeaux, Motac Neuroscienze e l’Ospedale Universitario di Losanna.
“Il sistema che abbiamo sviluppato utilizza i segnali registrati dalla corteccia motoria del cervello per far scattare una coordinata stimolazione elettrica dei nervi che sono responsabili per la locomozione, nella colonna vertebrale” ha detto David Borton, assistente Prof. di ingegneria presso la Brown e uno dei co-autori dello studi. “Con il sistema acceso, gli animali utilizzati nel nostro studio avevano quasi una normale locomozione.”
Il lavoro potrebbe portare allo sviluppo di un sistema analogo concepito per gli esseri umani con lesioni del midollo spinale.
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Grégoire Courtine, Prof. al Politecnico di Losanna che ha guidato la collaborazione, ha iniziato gli studi clinici in Svizzera per testare il dispositivo sulla colonna vertebrale. Egli mette in guardia: “Ci sono ancora molte sfide da affrontare che possono richiedere diversi anni prima che tutti i componenti di questo intervento possano essere testati nelle persone”.
( Vedi anche:Scoperta una proteina chiave per la riparazione del midollo spinale danneggiato da una lesione)
Ristabilire la comunicazione
Il rispristino della locomozione è reso possibile da una complessa interazione tra i neuroni nel cervello e nel midollo spinale.I segnali elettrici provenienti dalla corteccia motoria del cervello viaggiano verso la regione lombare del midollo spinale inferiore, dove attivano i neuroni motori che coordinano il movimento dei muscoli responsabili di estendere e flettere la gamba.
Le lesioni alla colonna vertebrale superiore possono interrompere questa comunicazione tra il cervello e il midollo spinale in basso. Sia la corteccia motoria che i neuroni spinali possono essere completamente funzionali, ma non sono in grado di coordinare la loro attività. L’obiettivo dello studio è stato quello di ristabilire un po’ di quella comunicazione.
L’interfaccia cervello-midollo spinale ha utilizzato un array di elettrodi della dimensione di una pillola impiantati nel cervello per registrare i segnali dalla corteccia motoria. La tecnologia del sensore è stata sviluppata in parte per l’utilizzo in fase di sperimentazione negli esseri umani dal Brain Gate in collaborazione con un gruppo di ricerca che comprende la Brown University, Case Western Reserve University, Massachusetts General Hospital, Provvidenze VA Medical Center e Stanford University. La tecnologia viene utilizzata negli studi clinici pilota in corso, ed è stata utilizzata in precedenza in uno studio condotto dal neuro ingegnere Leigh Hochberg del Brown, in cui le persone con tetraplegia sono state in grado di muovere un bracciorobotico semplicemente pensando al movimento della propria mano.
Un neurosensore wireless, sviluppato nel laboratorio di neuroingegneria della Brown dal Prof. Arto Nurmikko e da un team che comprendeva Borton, invia i segnali raccolti dal chip del cervello in modalità wireless a un computer che li decodifica e li invia in modalità wireless a uno stimolatore elettrico impiantato nella zona lombare della colonna vertebrale, sotto l’area della lesione.
Per calibrare la decodifica dei segnali cerebrali, i ricercatori hanno impiantato il sensore nei macachi sani. I segnali inoltrati dal sensore potevano essere mappati sui movimenti delle gambe degli animali. Essi hanno dimostrato che il decodificatore è in grado di prevedere con precisione gli stati cerebrali associati all’ estensione e flessione dei muscoli delle gambe.
La capacità di trasmettere i segnali del cervello in modalità wireless è stata fondamentale per questo lavoro.
“Fare questo in modalità wireless ci permette di mappare l’attività neurale in contesti normali e durante il comportamento naturale”, ha detto Borton. “Se veramente intendiamo sviluppare una neuroprotesi che può un giorno essere impiegata per aiutare i pazienti umani durante le attività della vita quotidiana, tali tecnologie di registrazione untethered saranno fondamentali”.
I ricercatori hanno combinato la loro comprensione di come i segnali cerebrali influenzano la locomozione con mappe spinali sviluppate dal laboratorio di Courtine presso l’EPFL, che ha individuato i punti neurali nella spina dorsale responsabile del controllo motorio. Questo ha permesso al team di identificare i circuiti neurali che dovrebbero essere stimolati dall’impianto spinale.
Con questi pezzi a posto, i ricercatori hanno poi testato l’intero sistema su due macachi con un tipo di lesione che generalmente porta al ripristino del controllo funzionale della gamba colpita nel corso di un periodo di un mese o più. Il team ha testato il nuovo sistema sviluppato nelle settimane dopo l’infortunio, quando non c’era ancora alcun controllo volontario sulla gamba interessata.
Lo studio ha dimostrato che con il sistema acceso, gli animali hanno cominciato spontaneamente a muovere le gambe su un tapis roulant. I macachi lesionati, con l’ausilio della stimolazione cerebrale controllata, sono stati in grado di produrre quasi normali modelli locomotori.
Limitazioni e il lavoro futuro
La dimostrazione che il sistema funziona in un primate non umano è un passo importante. I ricercatori hanno sottolineato che molto più lavoro deve essere fatto per iniziare a testare il sistema negli esseri umani. Essi hanno inoltre sottolineato diverse limitazioni nello studio, ma nonostante le limitazioni, la ricerca pone le basi per futuri studi in primati e potenzialmente, un aiuto alla riabilitazione degli esseri umani.
Fonte: Nature
