Neuroprosthetics: recupero dall’infortunio usando il potere della tua mente

La neuroprostetica, nota anche come interfaccia cervello-computer, è un dispositivo che aiuta le persone con disabilità motorie o sensoriali a riprendere il controllo dei loro sensi e movimenti creando una connessione tra il cervello e un computer. In altre parole, questa tecnologia consente alle persone di muoversi, ascoltare, vedere e toccare usando il potere del solo pensiero. Come funzionano le neuroprostetiche? Diamo un’occhiata a cinque importanti scoperte in questo campo per vedere fino a che punto siamo arrivati ​​- e quanto più lontano possiamo andare – usando solo il potere delle nostre menti.

Ogni anno, centinaia di migliaia di persone in tutto il mondo perdono il controllo degli arti a seguito di una lesione al midollo spinale. Negli Stati Uniti, fino a 347.000 persone vivono con una lesione del midollo spinale (SCI) e quasi la metà di queste persone non può spostarsi dal collo in giù.

Per queste persone, i dispositivi neuroprotetici possono offrire una speranza tanto necessaria.

Interfacce cervello-computer (BCI) di solito coinvolgono elettrodi – posti sul cranio umano, sulla superficie del cervello, o nel tessuto cerebrale – che monitorano e misurano l’attività cerebrale che si verifica quando il cervello “pensa” un pensiero. Lo schema di questa attività cerebrale viene quindi “tradotto” in un codice, o algoritmo, che viene “nutrito” in un computer. Il computer, a sua volta, trasforma il codice in comandi che producono movimento.

La neuroprostetica non è utile solo per le persone che non possono muovere le braccia e le gambe; aiutano anche quelli con disabilità sensoriali. L’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) stima che circa 360 milioni di persone in tutto il mondo abbiano una forma invalidante di perdita dell’udito, mentre altre 39 milioni di persone sono cieche.

Per alcune di queste persone, le neuroprostetiche come gli impianti cocleari e gli occhi bionici hanno ridato loro i sensi e, in alcuni casi, hanno permesso loro di ascoltare o vedere per la prima volta.

Qui, esaminiamo cinque degli sviluppi più significativi nella tecnologia neuroprotesica, osservando come funzionano, perché sono utili e come alcuni di loro si svilupperanno in futuro.

Impianto dell’orecchio

Probabilmente il “più vecchio” dispositivo neuroprotesico là fuori, gli impianti cocleari (o impianti per le orecchie) sono in circolazione da qualche decennio e sono l’epitome di neuroprostetici di successo.

La FDA (Food and Drug Administration) statunitense ha approvato impianti cocleari già nel 1980 e nel 2012 circa 60.000 individui negli Stati Uniti hanno avuto l’impianto. In tutto il mondo, oltre 320.000 persone hanno impiantato il dispositivo.

Un impianto cocleare funziona bypassando le parti danneggiate dell’orecchio e stimolando il nervo uditivo con i segnali ottenuti utilizzando gli elettrodi. I segnali trasmessi attraverso il nervo uditivo al cervello sono percepiti come suoni, sebbene l’udito attraverso un impianto uditivo sia molto diverso dall’udito regolare.

Anche se imperfetti, gli impianti cocleari consentono agli utenti di distinguere il parlato di persona o per telefono, con i media abbondano di resoconti emotivi di persone che sono state in grado di ascoltare se stesse per la prima volta utilizzando questo dispositivo neurostimolatorio sensoriale.

Qui puoi guardare un video di una donna di 29 anni che si sente per la prima volta utilizzando un impianto cocleare:

Impianto occhi

La prima retina artificiale – chiamata Argus II – è interamente costituita da elettrodi impiantati nell’occhio ed è stata approvata dalla FDA nel febbraio 2013. Più o meno allo stesso modo dell’impianto cocleare, questa neuroprotesi bypassa la parte danneggiata della retina e trasmette segnali, catturati da una telecamera collegata, al cervello.

Questo viene fatto trasformando le immagini in pixel chiari e scuri che diventano trasformati in segnali elettrici. I segnali elettrici vengono quindi inviati agli elettrodi, i quali, a loro volta, inviano il segnale al nervo ottico del cervello.

Mentre Argus II non ripristina completamente la visione, permette ai pazienti con retinite pigmentosa – una condizione che danneggia i fotorecettori dell’occhio – di distinguere i contorni e le forme, che, secondo molti pazienti, fa una differenza significativa nelle loro vite.

La retinite pigmentosa è una malattia neurodegenerativa che colpisce circa 100.000 persone negli Stati Uniti. Dalla sua approvazione, oltre 200 pazienti con retinite pigmentosa hanno avuto l’impianto Argus II, e l’azienda che lo ha progettato sta attualmente lavorando per rendere possibile la rilevazione del colore e migliorare la risoluzione del dispositivo.

Neuroprostetica per le persone con LM

Si stima che circa 350.000 persone negli Stati Uniti vivano con SCI, e il 45% di coloro che avevano una SCI dal 2010 sono considerati tetraplegici, ovvero paralizzati dal collo in giù.

A, abbiamo recentemente riportato un innovativo esperimento di un paziente che ha permesso a un uomo con la quadriplegia di muovere le braccia usando la pura forza dei suoi pensieri.

Bill Kochevar aveva gli elettrodi inseriti chirurgicamente nel suo cervello. Dopo aver allenato la BCI per “apprendere” l’attività cerebrale che si adattava ai movimenti a cui pensava, questa attività veniva trasformata in impulsi elettrici che venivano poi trasmessi agli elettrodi nel suo cervello.

Più o meno allo stesso modo in cui gli impianti cocleari e visivi bypassano l’area danneggiata, così anche quest’area BCI evita il “cortocircuito” tra il cervello e i muscoli del paziente creati dalla SCI.

Con l’aiuto di questo neuroprotesico, il paziente è stato in grado di bere e nutrirsi con successo. “È stato incredibile”, dice Kochevar, “perché ho pensato di muovere il braccio e così è stato”. Kochevar è stato il primo paziente al mondo a testare il dispositivo neuroprostetico, che al momento è disponibile solo per scopi di ricerca.

Puoi saperne di più su questa neuroprostetica dal video qui sotto:

Tuttavia, questo non è il punto in cui la neuroprostetica della SCI si ferma.Il Courtine Lab – che è guidato dal neuroscienziato Gregoire Courtine a Losanna, Svizzera – lavora instancabilmente per aiutare i feriti a riprendere il controllo delle loro gambe. I loro sforzi di ricerca con i ratti hanno permesso ai roditori paralizzati di camminare, raggiunti utilizzando segnali elettrici e facendoli stimolare i nervi nel midollo spinale reciso.

“Riteniamo che questa tecnologia potrebbe un giorno migliorare significativamente la qualità della vita delle persone confrontate a disturbi neurologici”, afferma Silvestro Micera, coautore dell’esperimento e neuro ingegnere presso Courtine Labs.

Recentemente, il Prof. Courtine ha anche guidato un team internazionale di ricercatori per creare con successo movimenti volontari delle gambe nelle scimmie rhesus. Questa è stata la prima volta che è stato utilizzato un neuroprotesico per consentire di camminare nei primati non umani.

Tuttavia, “potrebbero essere necessari diversi anni prima che tutti i componenti di questo intervento possano essere testati nelle persone”, dice il Prof. Courtine.

Un braccio che si sente

Silvestro Micera ha anche condotto altri progetti sulla neuroprostetica, tra cui il braccio che “sente”. Nel 2014, ha riferito sulla prima mano artificiale che è stata migliorata con sensori.

I ricercatori hanno misurato la tensione nei tendini della mano artificiale che controllano i movimenti di presa e la trasformano in corrente elettrica. A sua volta, utilizzando un algoritmo, questo è stato tradotto in impulsi che sono stati poi inviati ai nervi del braccio, producendo un senso del tatto.

Da allora, il braccio protesico che “sente” è stato migliorato ancora di più. Ricercatori dell’Università di Pittsburgh e dell’Università di Pittsburgh Medical Center, entrambi in Pennsylvania, hanno testato il BCI su un singolo paziente con quadriplegia: Nathan Copeland.

Gli scienziati hanno impiantato una guaina di microelettrodi sotto la superficie del cervello di Copeland – cioè nella sua corteccia somatosensoriale primaria – e li hanno collegati a un braccio protesico dotato di sensori. Ciò ha permesso al paziente di provare sensazioni tattili, che provavano per lui, come se appartenessero alla sua stessa mano paralizzata.

Mentre era bendato, Copeland riuscì a identificare quale dito sul suo braccio protesico veniva toccato. Le sensazioni che percepiva variavano di intensità e si sentivano come diverse per pressione.

Neuroprosthetics per i neuroni?

Abbiamo visto che le protesi controllate dal cervello possono ripristinare il senso del tatto, l’udito, la vista e il movimento dei pazienti, ma potremmo costruire protesi per il cervello stesso?

I ricercatori della Australian National University (ANU) di Canberra sono riusciti a far crescere artificialmente le cellule cerebrali e creare circuiti cerebrali funzionali, aprendo la strada alla neuroprostetica per il cervello.

Applicando la geometria del nanowire a un wafer di semiconduttori, il dott. Vini Gautam, della Research School of Engineering dell’ANU, e colleghi hanno escogitato un’impalcatura che consente alle cellule cerebrali di crescere e connettersi sinapticamente.

Il leader del gruppo di progetto Dr. Vincent Daria, della John Curtin School of Medical Research in Australia, spiega il successo della loro ricerca:

“Siamo stati in grado di effettuare connessioni predittive tra i neuroni e di dimostrarle funzionali con i neuroni che sparano in modo sincrono: questo lavoro potrebbe aprire un nuovo modello di ricerca che costruisce una connessione più forte tra materiali nanotecnologici e neuroscienze”.

La neuroprostetica per il cervello potrebbe un giorno aiutare i pazienti che hanno avuto un ictus o che vivono con malattie neurodegenerative per guarire neurologicamente.

Ogni anno negli Stati Uniti, quasi 800.000 persone hanno avuto un ictus e oltre 130.000 persone muoiono. Anche le malattie neurodegenerative sono diffuse, con 5 milioni di adulti statunitensi stimati a vivere con la malattia di Alzheimer, 1 milione con Parkinson e 400.000 a sperimentare la sclerosi multipla.

Scopri di più sul nuovo sforzo di Facebook: lo sviluppo di BCI.