La neuroprostetica, conosciuta anche come interfaccia cervello-computer, rappresenta una frontiera emergente nella medicina riabilitativa. Si tratta di dispositivi avanzati che consentono a persone con disabilità motorie o sensoriali di riconquistare il controllo dei propri movimenti e sensi, stabilendo una connessione diretta tra il cervello e un computer. In sostanza, questa tecnologia permette di muoversi, ascoltare, vedere e toccare semplicemente attraverso il potere del pensiero. Analizziamo cinque scoperte significative in questo campo, per comprendere i progressi fatti e le potenzialità future delle neuroprotesi.
Ogni anno, centinaia di migliaia di persone nel mondo perdono la funzionalità degli arti a causa di lesioni al midollo spinale. Negli Stati Uniti, fino a 347.000 individui convivono con una lesione del midollo spinale (SCI) e quasi la metà di questi non riesce a muoversi dal collo in giù.
Per queste persone, i dispositivi neuroprotesici offrono una speranza concreta e necessaria.
Le interfacce cervello-computer (BCI) utilizzano elettrodi posizionati sul cranio, sulla superficie del cervello o nel tessuto cerebrale per monitorare e misurare l’attività cerebrale associata ai pensieri. Questo pattern di attività cerebrale viene «tradotto» in un codice, un algoritmo, che il computer interpreta per generare comandi in grado di produrre movimento.
Ma la neuroprostetica non è solo utile per chi ha difficoltà motorie; essa si estende anche alle persone con disabilità sensoriali. L’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) stima che circa 360 milioni di persone in tutto il mondo soffrano di una forma invalidante di perdita dell’udito, mentre altre 39 milioni di individui sono ciechi.
Per alcuni di questi pazienti, le neuroprotesi come gli impianti cocleari e gli occhi bionici sono stati fondamentali nel ripristinare i sensi, offrendo loro la possibilità di ascoltare o vedere per la prima volta.
In questa sede, analizziamo cinque sviluppi cruciali nella tecnologia neuroprotesica, esaminando il loro funzionamento, la loro utilità e le prospettive future.
Impianto dell’orecchio
Gli impianti cocleari, considerati tra i più antichi dispositivi neuroprotesici, sono in uso da decenni e rappresentano un esempio emblematico di successo in questo campo.
La FDA (Food and Drug Administration) degli Stati Uniti ha approvato gli impianti cocleari nel 1980, e nel 2012 circa 60.000 persone negli Stati Uniti avevano già ricevuto questo dispositivo. A livello globale, oltre 320.000 individui hanno beneficiato di questa tecnologia.
Un impianto cocleare funziona bypassando le parti danneggiate dell’orecchio, stimolando il nervo uditivo attraverso segnali generati da elettrodi. I segnali trasmessi al cervello vengono interpretati come suoni, sebbene l’udito attraverso un impianto cocleare sia differente rispetto all’udito naturale.
Nonostante le loro limitazioni, gli impianti cocleari consentono agli utenti di riconoscere il parlato, sia di persona che al telefono, con numerose testimonianze emotive di persone che hanno potuto ascoltare per la prima volta grazie a questo dispositivo neurostimolatore sensoriale.
Qui puoi guardare un video di una donna di 29 anni che sperimenta il suono per la prima volta grazie a un impianto cocleare:
Impianto occhi
La prima retina artificiale, denominata Argus II, è stata approvata dalla FDA nel febbraio 2013 ed è composta interamente da elettrodi impiantati nell’occhio. Funziona in modo simile agli impianti cocleari, bypassando la parte danneggiata della retina e trasmettendo segnali catturati da una telecamera collegata al cervello.
Questo processo avviene trasformando le immagini in pixel chiari e scuri, che si traducono in segnali elettrici. Tali segnali vengono quindi inviati agli elettrodi, i quali comunicano con il nervo ottico del cervello.
Sebbene Argus II non ripristini completamente la visione, consente ai pazienti affetti da retinite pigmentosa – una condizione che danneggia i fotorecettori dell’occhio – di distinguere contorni e forme, offrendo un significativo miglioramento nella loro qualità della vita.
La retinite pigmentosa colpisce circa 100.000 persone negli Stati Uniti. Dalla sua introduzione, oltre 200 pazienti hanno ricevuto l’impianto Argus II, e l’azienda che lo ha sviluppato sta attualmente lavorando per migliorare la rilevazione dei colori e la risoluzione del dispositivo.
Neuroprostetica per le persone con SCI
Si stima che circa 350.000 persone negli Stati Uniti vivano con lesioni del midollo spinale, e il 45% di chi ha subito una SCI dal 2010 è considerato tetraplegico, ovvero paralizzato dal collo in giù.
Recentemente, abbiamo riportato un esperimento innovativo che ha permesso a un uomo con quadriplegia di muovere le braccia mediante il potere dei suoi pensieri.
Bill Kochevar ha avuto elettrodi inseriti chirurgicamente nel suo cervello. Dopo un periodo di addestramento, la BCI ha «apprendido» l’attività cerebrale che corrispondeva ai movimenti pensati, traducendo queste informazioni in impulsi elettrici inviati agli elettrodi nel suo cervello.
In modo simile agli impianti cocleari e visivi, anche questa BCI evita il «cortocircuito» tra il cervello e i muscoli del paziente creato dalla SCI.
Grazie a questa neuroprotesi, Kochevar è stato in grado di bere e nutrirsi autonomamente. «È stato incredibile», afferma Kochevar, «perché pensavo a muovere il braccio e così è stato». Kochevar è stato il primo paziente al mondo a testare questo dispositivo neuroprostetico, attualmente disponibile solo per scopi di ricerca.
Puoi scoprire di più su questa innovativa neuroprotesi nel video qui sotto:
Tuttavia, la ricerca sulla neuroprostetica per SCI non si ferma qui. Il Courtine Lab, guidato dal neuroscienziato Grégoire Courtine a Losanna, in Svizzera, sta lavorando instancabilmente per restituire il controllo delle gambe ai pazienti. Le loro ricerche sui ratti hanno portato alla possibilità di far camminare roditori paralizzati mediante segnali elettrici che stimolano i nervi del midollo spinale interrotto.
«Crediamo che questa tecnologia potrebbe un giorno migliorare significativamente la qualità della vita delle persone affette da disturbi neurologici», afferma Silvestro Micera, coautore dell’esperimento e neuro ingegnere presso Courtine Labs.
Recentemente, il Prof. Courtine ha guidato un team internazionale di ricercatori nella creazione di movimenti volontari delle gambe in scimmie rhesus, segnando un’importante prima volta per l’uso della neuroprotesi nei primati non umani.
Tuttavia, il Prof. Courtine avverte che «potrebbero volerci anni prima che tutti i componenti di questa tecnologia possano essere testati su pazienti umani».
Un braccio che si sente
Silvestro Micera ha condotto anche altri progetti sulla neuroprostetica, incluso un braccio artificiale che «sente». Nel 2014, ha presentato la prima mano artificiale dotata di sensori.
I ricercatori hanno misurato la tensione nei tendini della mano artificiale, controllando i movimenti di presa e traducendo queste informazioni in corrente elettrica. Utilizzando un algoritmo, questi segnali sono stati convertiti in impulsi inviati ai nervi del braccio, consentendo così una percezione del tatto.
Da allora, il braccio protesico dotato di sensori è stato ulteriormente perfezionato. I ricercatori dell’Università di Pittsburgh e del Pittsburgh Medical Center hanno testato la BCI su un paziente con quadriplegia, Nathan Copeland.
Gli scienziati hanno impiantato una guaina di microelettrodi nella corteccia somatosensoriale primaria di Copeland, collegandoli a un braccio protesico sensorizzato. Questo ha permesso al paziente di percepire sensazioni tattili, che sembravano appartenere alla sua mano paralizzata.
Bendato, Copeland è stato in grado di identificare quale dito del suo braccio protesico veniva toccato. Le sensazioni percepite variavano in intensità e qualità, simili a quelle della pressione.
Neuroprostetica per il cervello?
Abbiamo visto come le protesi controllate dal cervello possano ripristinare il tatto, l’udito, la vista e il movimento, ma è possibile costruire protesi per il cervello stesso?
I ricercatori della Australian National University (ANU) a Canberra sono riusciti a far crescere artificialmente cellule cerebrali, creando circuiti cerebrali funzionali e aprendo la strada a nuove possibilità nella neuroprostetica per il cervello.
Applicando la geometria del nanowire a un wafer di semiconduttori, il Dr. Vini Gautam dell’ANU e i suoi colleghi hanno sviluppato un’impalcatura che consente la crescita e la connessione sinaptica delle cellule cerebrali.
Il Dr. Vincent Daria, leader del progetto, spiega i risultati della loro ricerca: «Siamo stati in grado di stabilire connessioni predittive tra neuroni e dimostrarne la funzionalità, con i neuroni che sparano in modo sincrono. Questo lavoro potrebbe aprire un nuovo modello di ricerca per creare connessioni più forti tra materiali nanotecnologici e neuroscienze».
La neuroprostetica per il cervello potrebbe un giorno assistere i pazienti colpiti da ictus o malattie neurodegenerative nel processo di recupero neurologico.
Ogni anno negli Stati Uniti, quasi 800.000 persone subiscono un ictus e oltre 130.000 muoiono a causa di questa condizione. Le malattie neurodegenerative sono anch’esse diffuse, con circa 5 milioni di adulti statunitensi affetti dalla malattia di Alzheimer, 1 milione da Parkinson e 400.000 che convivono con la sclerosi multipla.
Scopri di più sugli sforzi recenti nel campo delle BCI e le loro potenzialità future.
Nuovi sviluppi e prospettive future
Nel 2024, la ricerca sulle neuroprotesi continua a progredire a ritmi vertiginosi. Recenti studi hanno mostrato che l’integrazione di algoritmi più avanzati nella BCI potrebbe migliorare la precisione dei movimenti artificiali, consentendo interazioni più naturali con l’ambiente. Inoltre, i progressi nei materiali biocompatibili stanno rendendo gli impianti meno invasivi e più sicuri per i pazienti.
Inoltre, la combinazione di neuroprotesi con tecnologie di intelligenza artificiale sta aprendo nuove possibilità nel ripristino delle funzioni motorie e sensoriali. Progetti pilota stanno esplorando come le neuroprotesi possano essere integrate in applicazioni quotidiane, aumentando l’autonomia delle persone con disabilità.
Ci sono anche ricerche in corso per sviluppare strategie di riabilitazione che abbiano come obiettivo non solo il ripristino della funzionalità, ma anche il miglioramento della plasticità cerebrale. Questi approcci innovativi potrebbero cambiare radicalmente le prospettive per molte persone che affrontano sfide legate a disabilità neurologiche.