I due pazienti con paralisi si alzarono e camminarono sul tapis roulant in pochissimo tempo. Questa impresa impressionante è stata resa possibile da un nuovo intervento chirurgico senza precedenti, in cui i ricercatori hanno impiantato dispositivi wireless nel cervello dei pazienti che hanno registrato la loro attività cerebrale. La tecnologia ha permesso al cervello di comunicare con le gambe, aggirando le vie rotte del midollo spinale, in modo che il paziente potesse riprendere il controllo.
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Si scopre che questi pazienti erano scimmie. Ma questo piccolo passo per le scimmie potrebbe portare a un balzo gigantesco per milioni di umani paralizzati: la stessa attrezzatura è già stata approvata per l'uso nell'uomo e sono in corso studi clinici in Svizzera per testare l'efficacia terapeutica del metodo di stimolazione del midollo spinale nell'uomo (meno l'impianto cerebrale). Ora che i ricercatori hanno una prova di concetto, questo tipo di neurotecnologia wireless potrebbe cambiare il futuro del recupero della paralisi.
Invece di provare a riparare i percorsi danneggiati del midollo spinale che di solito trasmettono segnali cerebrali agli arti, gli scienziati hanno provato un approccio innovativo per invertire la paralisi: bypassare del tutto il collo di bottiglia della lesione. L'impianto ha funzionato come un ponte tra il cervello e le gambe, dirigendo il movimento delle gambe e stimolando il movimento muscolare in tempo reale, afferma Tomislav Milekovic, ricercatore presso l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) della Svizzera. Milekovic e co-autori riportano le loro scoperte in un nuovo articolo pubblicato mercoledì sulla rivista Nature .
Quando la rete neurale del cervello elabora le informazioni, produce segnali distintivi, che gli scienziati hanno imparato a interpretare. Quelli che guidano il camminare nei primati hanno origine nella regione di dimensioni minime nota come corteccia motoria. In un individuo sano, i segnali viaggiano lungo il midollo spinale fino alla regione lombare, dove dirigono l'attivazione dei muscoli delle gambe per consentire la deambulazione.
Se una lesione traumatica taglia questa connessione, un soggetto è paralizzato. Sebbene il cervello sia ancora in grado di produrre i segnali corretti e le reti neurali attivanti i muscoli della gamba siano intatte, quei segnali non raggiungono mai le gambe. I ricercatori sono riusciti a ristabilire la connessione tramite una tecnologia wireless in tempo reale, un'impresa senza precedenti.
Come funziona il sistema? L'interfaccia artificiale del team inizia con una serie di quasi 100 elettrodi impiantati nella corteccia motoria del cervello. È collegato a un dispositivo di registrazione che misura il picco di attività elettriche nel cervello che controllano i movimenti delle gambe. Il dispositivo invia questi segnali a un computer che decodifica e traduce queste istruzioni in un altro array di elettrodi impiantati nel midollo spinale inferiore, sotto la lesione. Quando il secondo gruppo di elettrodi riceve le istruzioni, attiva i gruppi muscolari appropriati nelle gambe.
Per lo studio, le due scimmie macaco Rhesus sono state ferite al midollo spinale in laboratorio. Dopo i loro interventi chirurgici, hanno dovuto trascorrere alcuni giorni a recuperare e ad aspettare che il sistema raccolesse e calibrasse i dati necessari sulle loro condizioni. Ma solo sei giorni dopo l'infortunio, una scimmia stava camminando su un tapis roulant. L'altro era alzato e camminava il giorno dopo l'infortunio.
Il successo dell'impianto cerebrale dimostra per la prima volta in che modo la neurotecnologia e la stimolazione del midollo spinale possono ripristinare la capacità di un primate di camminare. "Il sistema ha ripristinato immediatamente i movimenti locomotori, senza alcun addestramento o ri-apprendimento", ha detto a Smithsonian.com Milekovic, che progetta sistemi neuroprotesici basati sui dati.
"La prima volta che abbiamo attivato l'interfaccia cervello-colonna vertebrale è stato un momento che non dimenticherò mai", ha aggiunto il ricercatore dell'EPFL Marc Capogrosso in una nota.
Un nuovo impianto cerebrale invia in modalità wireless segnali ai gruppi muscolari delle gambe. (Illustrazione di Jemere Ruby) La tecnica di "hacking" delle reti neurali del cervello ha prodotto prodezze notevoli, come aiutare a creare protesi sensibili al tocco che consentono a chi le indossa di svolgere compiti delicati come rompere un uovo. Ma molti di questi sforzi usano connessioni via cavo tra il cervello e i dispositivi di registrazione, il che significa che i soggetti non sono in grado di muoversi liberamente. "Il controllo neurale dei movimenti di mani e braccia è stato studiato in modo molto dettagliato, mentre è stata data meno attenzione al controllo neuronale dei movimenti delle gambe, che ha richiesto agli animali di muoversi liberamente e naturalmente", afferma Milekovic.
Christian Ethier, neuroscienziato presso l'Università del Quebec del Quebec e non coinvolto nella ricerca, ha definito il lavoro un "importante passo avanti nello sviluppo di sistemi neuroprotesici". Ha aggiunto: "Credo che questa dimostrazione accelererà la traduzione del cervello invasivo -interfacce di computer verso applicazioni umane.
In un articolo di News & Views che accompagna Nature, il neuroscienziato Andrew Jackson concorda, sottolineando quanto rapidamente i progressi in questo campo sono passati dalle scimmie alle persone. Un documento del 2008, ad esempio, ha dimostrato che le scimmie paralizzate potevano controllare un braccio robotico con il solo cervello; quattro anni dopo una donna paralizzata fece lo stesso. All'inizio di quest'anno, la stimolazione muscolare controllata dal cervello ha permesso a una persona quadriplegica di afferrare oggetti, tra le altre abilità pratiche della mano, dopo che la stessa impresa è stata raggiunta nelle scimmie nel 2012.
Jackson conclude da questa storia che "non è irragionevole ipotizzare che potremmo vedere le prime dimostrazioni cliniche di interfacce tra il cervello e il midollo spinale entro la fine del decennio".
L'array di elettrodi Blackrock impiantato nel cervello delle scimmie è stato utilizzato per 12 anni per registrare con successo l'attività cerebrale negli studi clinici BrainGate; numerosi studi hanno dimostrato che questo segnale può controllare accuratamente dispositivi neuroprostetici complessi. "Sebbene richieda un intervento chirurgico, l'array è di un ordine di grandezza inferiore rispetto ai simulatori del cervello profondo impiantati chirurgicamente già utilizzati da oltre 130.000 persone con malattia di Parkinson o altri disturbi del movimento", aggiunge Milekovic.
Mentre questo test era limitato a poche fasi dell'attività cerebrale legate all'andatura del cammino, Ethier suggerisce che potrebbe potenzialmente consentire una maggiore gamma di movimenti in futuro. “Usando questi stessi impianti cerebrali, è possibile decodificare l'intento di movimento in modo molto più dettagliato, simile a quello che abbiamo fatto per ripristinare la funzione di presa. ... Mi aspetto che gli sviluppi futuri andranno oltre e forse includano altre abilità come la compensazione degli ostacoli e la regolazione della velocità di camminata. "
Ethier nota un'altra possibilità intrigante: il sistema wireless potrebbe effettivamente aiutare il corpo a guarire se stesso. "Rincronizzando l'attività nel cervello e nei centri motori spinali, potrebbero promuovere quella che viene chiamata" neuroplasticità dipendente dall'attività "e consolidare qualsiasi connessione risparmiata che collega il cervello ai muscoli", afferma. "Ciò potrebbe avere effetti terapeutici a lungo termine e promuovere il naturale recupero della funzione oltre a quanto è possibile con le terapie di riabilitazione convenzionali".
Questo fenomeno non è ben compreso e la possibilità rimane speculativa a questo punto, sottolinea. Ma il risultato tangibile che questa ricerca dimostra - aiutare di nuovo a camminare paralizzati con il cervello - è già un grande passo.
