Qualcosa di così semplice come prendere una tazza di tè richiede un sacco di azione dal tuo corpo. I tuoi muscoli delle braccia sparano per muovere il braccio verso la coppa. I muscoli delle dita sparano per aprire la mano e poi piegare le dita attorno alla maniglia. I muscoli della spalla impediscono al braccio di fuoriuscire dalla spalla e i muscoli centrali si assicurano di non ribaltarsi a causa del peso extra della coppa. Tutti questi muscoli devono sparare in modo preciso e coordinato, eppure il tuo unico sforzo cosciente è il pensiero: "Lo so: il tè!"

Questo è il motivo per cui consentire a un arto paralizzato di muoversi di nuovo è così difficile. La maggior parte dei muscoli paralizzati può ancora funzionare, ma la loro comunicazione con il cervello è andata perduta, quindi non ricevono istruzioni per sparare. Non possiamo ancora riparare il danno al midollo spinale, quindi una soluzione è bypassarla e fornire le istruzioni ai muscoli artificialmente. E grazie allo sviluppo della tecnologia per leggere e interpretare l'attività cerebrale, queste istruzioni potrebbero un giorno venire direttamente dalla mente di un paziente.

Possiamo far accendere i muscoli paralizzati stimolandoli con elettrodi posti all'interno dei muscoli o attorno ai nervi che li forniscono, una tecnica nota come stimolazione elettrica funzionale (FES). Oltre ad aiutare le persone paralizzate a muoversi, è anche usato per ripristinare la funzione della vescica, produrre tosse efficace e fornire sollievo dal dolore. È una tecnologia affascinante che può fare una grande differenza per la vita delle persone con lesioni del midollo spinale.

Dimitra Blana e i suoi colleghi di Keele stanno lavorando su come abbinare questa tecnologia con il complesso insieme di istruzioni necessarie per azionare un braccio. Se vuoi prendere quella tazza di tè, quali muscoli devono sparare, quando e da quanto? Le istruzioni per sparare sono complicate, e non solo per il grande numero di core, spalle, braccia e muscoli coinvolti. Mentre bevete lentamente il vostro tè, quelle istruzioni cambiano, perché il peso della tazza cambia. Per fare qualcosa di diverso, come grattarsi il naso, le istruzioni sono completamente diverse.

Invece di provare diversi schemi di fuoco sui muscoli paralizzati nella speranza di trovarne uno che funzioni, puoi usarlo modelli computerizzati del sistema muscolo-scheletrico per calcolarli. Questi modelli sono descrizioni matematiche di come i muscoli, le ossa e le articolazioni agiscono e interagiscono durante il movimento. Nelle simulazioni, puoi rendere i muscoli più forti o più deboli, "paralizzati" o "stimolati esternamente". Puoi testare diversi modelli di cottura in modo rapido e sicuro, e puoi fare in modo che i modelli raccolgano le loro tazze da tè più e più volte, a volte con maggiore successo rispetto ad altri.

Modellare i muscoli

Per testare la tecnologia, il team di Keele sta lavorando con Cleveland FES Center negli Stati Uniti, dove impiantano fino agli elettrodi 24 nei muscoli e nei nervi dei partecipanti alla ricerca. Usano la modellazione per decidere dove posizionare gli elettrodi perché ci sono più muscoli paralizzati rispetto agli elettrodi negli attuali sistemi FES.

Se devi scegliere, è meglio stimolare il subscapularis o il sovraspinato? Se stimoli il nervo ascellare, dovresti posizionare l'elettrodo prima o dopo il ramo verso il teres minor? Per rispondere a queste domande difficili, eseguono simulazioni con diversi set di elettrodi e scegli quello che consente ai modelli di computer di effettuare i movimenti più efficaci.

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Attualmente, il team sta lavorando sulla spalla, che è stabilizzata da un gruppo di muscoli chiamato cuffia dei rotatori. Se ottieni le istruzioni di fuoco per il braccio sbagliato, potrebbe raggiungere il cucchiaio da zuppa invece del coltello da burro. Se le istruzioni sulla cuffia dei rotatori sono errate, il braccio potrebbe fuoriuscire dalla spalla. Non è un buon aspetto per i modelli di computer, ma non si lamentano. I partecipanti alla ricerca sarebbero meno indulgenti.

Sapere come attivare i muscoli paralizzati per produrre movimenti utili come afferrare è solo metà del problema. Dobbiamo anche sapere quando attivare i muscoli, ad esempio quando l'utente vuole raccogliere un oggetto. Una possibilità è quella di leggere queste informazioni direttamente dal cervello. Recentemente, ricercatori negli Stati Uniti usato un impianto per ascoltare le singole cellule nel cervello di un individuo paralizzato. Poiché diversi movimenti sono associati a diversi schemi di attività cerebrale, il partecipante è stato in grado di selezionare uno dei sei movimenti pre-programmati che sono stati poi generati dalla stimolazione dei muscoli della mano.

Leggendo il cervello

Questo è stato un entusiasmante passo in avanti per il settore delle protesi neurali, ma rimangono molte sfide. Idealmente gli impianti cerebrali devono durare per molti decenni - attualmente è difficile registrare gli stessi segnali anche per diverse settimane, quindi questi sistemi devono essere ricalibrati regolarmente. utilizzando nuovi progetti di impianti or diversi segnali cerebrali può migliorare la stabilità a lungo termine.

Inoltre, gli impianti ascoltano solo una piccola parte dei milioni di cellule che controllano i nostri arti, quindi la gamma di movimenti che possono essere letti è limitata. Però, controllo cerebrale di arti robotici con più gradi di libertà (movimento, rotazione e presa) è stato raggiunto e le capacità di questa tecnologia stanno avanzando rapidamente.

Infine, i movimenti fluidi e pratici che di solito diamo per scontati sono guidati da un ricco feedback sensoriale che ci dice dove sono le nostre braccia nello spazio e quando le nostre dita toccano gli oggetti. Tuttavia, questi segnali possono anche essere persi dopo la ferita così i ricercatori stanno lavorando su impianti cerebrali che un giorno potrebbero restituire sensazioni e movimento.

Alcuni scienziati stanno ipotizzando che la tecnologia di lettura del cervello possa aiutare gli individui normodotati a comunicare in modo più efficiente con computer, telefoni cellulari e persino direttamente agli altri cervelli. Tuttavia, questo rimane il regno della fantascienza mentre il controllo del cervello per applicazioni mediche sta rapidamente diventando realtà clinica.

Riguardo agli Autori

Dimitra Blana, assegnista di ricerca in ingegneria biomedica, Keele University

Andrew Jackson, Wellcome Trust Senior Research Fellow, Università di Newcastle

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation. Leggi il articolo originale.

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