lesioni midollo spinale
Sveva Valguarnera
Sveva Valguarnera

Lesioni al midollo spinale: interfacce naurali e spina bionica

Indice

Sebbene negli ultimi decenni la medicina sia avanzata in modo incredibile, esistono ancora delle situazioni a cui non sappiamo dare una risposta soddisfacente. Una di queste è rappresentata dalle lesioni al midollo spinale. Rispetto al passato, la probabilità che un paziente sopravviva a un trauma del genere è decisamente migliorata. Prima dell’avvento degli antibiotici, infatti, spesso le infezioni o le piaghe da decubito portavano alla morte prematura del paziente.

Viene così a crearsi un altro problema, quello della qualità di vita. Le lesioni al midollo spinale, infatti, provocano una paralisi più o meno estesa a seconda del punto della lesione. L’handicap che ne deriva ad oggi non ha cura.

Midollo spinale, cosa comporta una lesione?

Il midollo spinale è l’unica parte del sistema nervoso centrale che non si trova all’interno del cranio. Si tratta di un fascio di neuroni che si trova all’interno del canale vertebrale, a partire dal cono occipitale e fino alle vertebre lombari. Esso contiene 31 paia di nervi spinali, dai quali ha origine tutto il sistema nervoso periferico. Significa che l’integrità del midollo spinale è fondamentale per garantire la funzione motoria e sensoriale del nostro corpo.

Pur essendo protetto dalle meningi e dallo spazio epidurale, il midollo spinale può riportare delle lesioni in seguito a un trauma. Tali lesioni si dividono in due categorie:

  • Lesioni complete, che comportano l’interruzione completa delle vie nervose.
  • Lesioni incomplete, in cui invece si mantiene parzialmente la funzione motoria o sensoriale.

Più alto è il livello della lesione, maggiori sono gli effetti. Una lesione a livello delle vertebre cervicali, ad esempio, provoca una paralisi totale del tronco e delle gambe e una paralisi totale o parziale delle braccia, arrivando nei casi più gravi anche a inficiare la capacità di respirare autonomamente. Le lesioni a livello toracico e lombosacrale, invece, coinvolgono per lo più gli arti inferiori, il sistema genitale, la vescica e l’ano.

Midollo spinale e interfacce neurali

Nelle lesioni spinali, quindi, sia il cervello che gli arti interessati dalla paralisi sono perfettamente sani. Ad essere danneggiato è l’organo che dovrebbe collegarli, ovvero il midollo spinale. Una delle sfide affrontate dall’ingegneria biomedica negli ultimi anni è stata dunque la creazione di dispositivi che potessero fare da ponte tra il cervello e un dispositivo esterno.

Sono nate così le interfacce neurali, chiamate anche BCI (Brain-computer interfaces) o BMI (Brain-machine interfaces). Si tratta di dispositivi in grado di ricevere comandi direttamente dal cervello, sotto forma di segnali elettroencefalografici, e di trasmetterli a dei dispositivi esterni.

L’utilizzo delle BMI nel campo delle disabilità è ancora per lo più sperimentale, ma ci sono moltissime applicazioni che hanno dato risultati promettenti, come ad esempio la possibilità di “guidare” una sedia a rotelle oppure di utilizzarle per la sintesi vocale. Nell’ambito delle lesioni spinali, i principali campi di applicazione sono due: l’utilizzo per il controllo di esoscheletri o sedie a rotelle, e l’utilizzo come bypass del midollo spinale per permettere il controllo degli arti.

Dispositivo NeuroLife

NeuroLife è un dispositivo ideato da Battelle, una compagnia di ricerca merica americana che ha collaborato con un team di scienziati provenienti dall’Ohio State University Wexner Medical Center per sviluppare e perfezionare il prototipo. Si tratta essenzialmente di un bypass neuronale che permette di collegare direttamente il cervello e i muscoli, bypassando il midollo spinale. Gli impulsi cerebrali vengono raccolti grazie a un chip computerizzato impiantato nel cervello di un paziente e successivamente trasmessi a una guaina, che viene indossata dal paziente sull’avambraccio e stimola direttamente i muscoli.

Attualmente il dispositivo è stato testato su un solo paziente, un 24enne quadriplegico proveniente da Dublino. Nel giro di due anni, il paziente ha imparato a usare NeuroLife per compiere dei movimenti anche piuttosto sofisticati, come far passare una carta di credito in un lettore o girare il contenuto di una tazza con un cucchiaio. Il funzionamento del dispositivo, infatti, si basa sulla capacità dell’algoritmo di interpretare gli impulsi cerebrali, che sono lievemente diversi da persona a persona. Ci vuole, quindi, un certo periodo di tempo affinché l’algoritmo impari a conoscere e interpretare correttamente questo impulso.

Naturalmente, si tratta di un dispositivo ancora in divenire, che prima di essere immesso sul mercato avrà bisogno di un notevole sviluppo. Attualmente, infatti, il sistema è piuttosto pesante e fa uso di una grande quantità di cavi. Gli sviluppatori sperano però di riuscire a sviluppare, nel giro di qualche anno, un sistema wireless e dal peso ridotto che possa essere usato in modo semplice.

Spina bionica per lesioni al midollo spinale

Inizieranno invece l’anno prossimo i trial clinici per la rivoluzionaria spina bionica ideata da un gruppo di ricercatori australiani. Anche in questo caso si tratta di un chip, da impiantare nel cervello del paziente, che permetterà di controllare direttamente un esoscheletro applicato agli arti inferiori.

La differenza principale rispetto al dispositivo NeuroLife sta nella modalità di inserimento del chip. Per rendere la procedura più semplice e meno invasiva, infatti, si è scelto di inserire il chip all’interno di uno stent grande come una graffetta, da inserire mediante un catetere. E’ la stessa procedura che si usa nell’angioplastica.

Nello specifico, il catetere trasporta lo stent fino a un vaso sanguigno adiacente alla corteccia motoria dell’encefalo. Lo stent dunque si espande fino a toccare, con i suoi 12 elettrodi, la parete dei vasi in modo da potere captare gli impulsi cerebrali. Tali impulsi vengono poi trasportati, utilizzando un cavo che corre attraverso la giugulare, a un trasmettitore posto sul petto in posizione subcutanea. Da qui, l’impulso viene inviato al dispositivo esterno, come l’esoscheletro o la sedia a rotelle.

L’inserimento può essere effettuato anche in day hospital, e ha tempi di recupero brevissimi. Un altro vantaggio consiste nel fatto che il chip, rimanendo all’interno dello stent, non attiva una risposta immunitaria e dunque non porta con sé il rischio di un rigetto. Gli studi svolti sugli animali hanno mostrato come lo stent mantenga a lungo la propria capacità di inviare segnali, e di come anzi il segnale diventi più forte in seguito alla crescita tissutale intorno allo stent. Il rischio di coaguli è inoltre stato giudicato minimo.

I test sugli esseri umani, che cominceranno l’anno prossimo in Australia, coinvolgeranno inizialmente un gruppo di individui paraplegici, persone cioè che hanno perso soltanto l’uso degli arti inferiori.

Nuova scoperta: interfacce neurali e recupero neurologico

Ad oggi, le lesioni spinali sono considerate in larga parte non guaribili. Nel caso di lesioni incomplete, talvolta con la terapia riabilitativa si può arrivare a un modesto recupero delle funzioni sensoriali e motorie. Ciò si rivela quasi sempre impossibile nel caso di lesioni complete.

Un recente studio sulla funzionalità delle interfacce neurali ha però portato un risultato straordinario: lo studio ha infatti coinvolto 8 paraplegici, di cui 7 con lesione completa e uno con lesione incompleta, che sono stati sottoposti per 12 mesi a una terapia riabilitativa consistente di diversi esercizi condotti con l’ausilio di BMI, realtà virtuale ed esoscheletri per gli arti inferiori. Nello specifico, gli esercizi a cui sono stati sottoposti i pazienti sono stati i seguenti:

  • Uso di un’interfaccia neurale abbinato al controllo mediante realtà virtuale di un avatar 3D del paziente, con il paziente seduto in sedia a rotelle.
  • Uso della stessa interfaccia neurale con controllo di un avatar 3D del paziente, con il paziente in posizione eretta mediante l’uso di un sostegno.
  • Esercizio di camminata su tapis roulant con uso di un esoscheletro e di un supporto per il corpo.
  • Camminata con supporto per il corpo, ma senza tapis roulant.
  • Esercizio di camminata su tapis roulant con esoscheletro, controllando l’esoscheletro tramite BMI.
  • Camminata libera con esoscheletro, controllando l’esoscheletro con BMI.

Risultati

Al termine dello studio, tutti i pazienti hanno riportato un miglioramento nelle funzioni neurologiche delle zone paralizzate, sia dal punto di vista sensoriale che motorio. In particolare, il 50% dei pazienti ha avuto un miglioramento così marcato da indurre i medici a modificare la loro diagnosi da paralisi completa a incompleta.

Secondo gli scienziati, il motivo di tale miglioramento è da ricercarsi nel fatto che anche nelle lesioni spinali che vengono classificate come complete vi sono spesso dei piccoli fasci di nervi che rimangono integri, in una misura che va dal 2 al 27% della materia bianca totale. La stimolazione con interfacce neurali, dunque, potrebbe causare una modifica della mappatura del corpo presente nella corteccia cerebrale, consentendo così la mappatura di zone completamente nuove – come l’esoscheletro o la sedia a rotelle – o la riattivazione della mappatura di arti precedentemente paralizzati, come le gambe: si tratta di un esempio di plasticità del sistema nervoso, che riguarda sia la corteccia cerebrale che il midollo spinale.

Si tratta del primo studio che ha evidenziato un collegamento definitivo tra l’uso di interfacce neurali e il miglioramento delle funzioni neurologiche; in particolare, appare notevole il fatto che tali miglioramenti si siano avuti in pazienti ormai paralizzati da molti anni, che avevano dunque una probabilità pressoché nulla di presentare un recupero spontaneo. Il prossimo passo dunque sarà quello di ripetere lo studio su pazienti paralizzati da pochi mesi: i medici si aspettano che tale gruppo di pazienti possa ottenere un recupero ancora più marcato, migliorando in modo significativo le loro esperienze a lungo termine.

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