Un impianto cerebrale che fa camminare le scimmie paralizzate

Gli scienziati hanno utilizzato una "interfaccia cerebrale spinale" senza fili per bypassare le lesioni del midollo spinale in una coppia di macachi rhesus, ripristinando il movimento intenzionale di una gamba temporaneamente paralizzata.

I ricercatori dicono che questa è la prima volta che una protesi neurale è stata utilizzata per ripristinare il movimento a piedi direttamente sulle gambe dei primati non umani.

"Il sistema che abbiamo sviluppato utilizza segnali registrati dalla corteccia motoria del cervello per innescare la stimolazione elettrica coordinata dei nervi nella colonna vertebrale che sono responsabili della locomozione", afferma David Borton, assistente professore di ingegneria presso la Brown University e autore di un coproduzione dello studio. "Con il sistema acceso, gli animali nel nostro studio avevano una locomozione quasi normale."

Il lavoro potrebbe aiutare nello sviluppo di un sistema simile progettato per gli esseri umani che hanno avuto lesioni del midollo spinale.

Ristabilire la comunicazione

"Esistono prove che suggeriscono che un sistema di stimolazione spinale controllata dal cervello può migliorare la riabilitazione dopo una lesione del midollo spinale", dice Borton. "Questo è un passo avanti per testare ulteriormente questa possibilità."

Grégoire Courtine, professore presso l'Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL) che ha guidato la collaborazione, ha avviato studi clinici in Svizzera per testare la parte spinosa dell'interfaccia. Egli avverte: "Ci sono molte sfide da affrontare e potrebbero essere necessari diversi anni prima che tutti i componenti di questo intervento possano essere testati nelle persone".


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Camminare è possibile a causa di una complessa interazione tra i neuroni nel cervello e nel midollo spinale. I segnali elettrici che provengono dalla corteccia motoria del cervello viaggiano fino alla regione lombare del midollo spinale inferiore, dove attivano i motoneuroni che coordinano il movimento dei muscoli responsabili dell'estensione e della flessione della gamba.

Lesioni alla colonna vertebrale superiore possono interrompere la comunicazione tra il cervello e il midollo spinale inferiore. Sia la corteccia motoria che i neuroni spinali possono essere completamente funzionali, ma non sono in grado di coordinare la loro attività. L'obiettivo dello studio era ristabilire parte di quella comunicazione.

L'interfaccia cervello-spinale utilizza una matrice di elettrodi a forma di pillola impiantata nel cervello per registrare i segnali dalla corteccia motoria. La tecnologia dei sensori è stata sviluppata in parte per l'uso sperimentale nell'uomo grazie alla collaborazione di BrainGate, un gruppo di ricerca che comprende Brown, Case Western Reserve University, Massachusetts General Hospital, Providence VA Medical Center e Stanford University.

La tecnologia viene utilizzata nelle sperimentazioni cliniche pilota in corso ed è stata utilizzata precedentemente in a studio guidato dal neuro-ingegnere Brown Leigh Hochberg in cui le persone con tetraplegia erano in grado di azionare un braccio robotico semplicemente pensando al movimento della propria mano.

Un neurosensore wireless, sviluppato nel laboratorio di neuroingegneria del professor Brown Arto Nurmikko da una squadra che includeva Borton, invia i segnali raccolti dal chip del cervello in modalità wireless a un computer che li decodifica e li invia in modalità wireless a uno stimolatore elettrico spinale impiantato nella zona lombare colonna vertebrale, sotto l'area della ferita. Quella stimolazione elettrica, fornita in schemi coordinati dal cervello decodificato, segnala ai nervi spinali che controllano la locomozione.

Per calibrare la decodifica dei segnali cerebrali, i ricercatori hanno impiantato il sensore del cervello e il trasmettitore wireless in macachi sani. I segnali trasmessi dal sensore potrebbero quindi essere mappati sui movimenti delle gambe degli animali. Hanno mostrato che il decodificatore era in grado di prevedere accuratamente gli stati del cervello associati all'estensione e alla flessione dei muscoli delle gambe.

La connessione wireless è fondamentale

La capacità di trasmettere segnali cerebrali in modalità wireless è stata fondamentale per questo lavoro, dice Borton. I sistemi cablati di rilevamento del cervello limitano la libertà di movimento, che a sua volta limita le informazioni che i ricercatori sono in grado di raccogliere sulla locomozione.

"Fare questo in modalità wireless ci consente di mappare l'attività neurale in contesti normali e durante il comportamento naturale", dice Borton. "Se puntiamo veramente alla neuroprostetica che un giorno potrà essere impiegata per aiutare i pazienti umani durante le attività della vita quotidiana, tali tecnologie di registrazione illimitate saranno fondamentali".

Per il lavoro corrente, pubblicato in NaturaI ricercatori hanno combinato la loro comprensione di come i segnali cerebrali influenzano la locomozione con le mappe spinali, sviluppato dal laboratorio di Courtine all'EPFL, che ha identificato i punti nevralgici della spina dorsale responsabili del controllo locomotore. Ciò ha permesso al team di identificare i circuiti neurali che dovrebbero essere stimolati dall'impianto spinale.

Con questi pezzi in posizione, i ricercatori hanno poi testato l'intero sistema su due macachi con lesioni che coprivano metà del midollo spinale nella loro colonna vertebrale toracica. Macachi con questo tipo di ferita generalmente riguadagnano il controllo funzionale della gamba interessata per un periodo di circa un mese, dicono i ricercatori. Il team ha testato il proprio sistema nelle settimane successive alla lesione, quando non c'era ancora alcun controllo volontario sulla gamba interessata.

I risultati mostrano che con il sistema acceso, gli animali hanno iniziato a muovere le gambe spontaneamente mentre camminavano su un tapis roulant. I confronti cinematici con i controlli sani hanno mostrato che i macachi lesionati, con l'aiuto della stimolazione controllata dal cervello, erano in grado di produrre modelli locomotori quasi normali.

Pur dimostrando che il sistema funziona in un primate non umano è un passo importante, i ricercatori hanno sottolineato che è necessario molto più lavoro per iniziare a testare il sistema negli esseri umani. Hanno anche sottolineato diverse limitazioni nello studio.

Ad esempio, mentre il sistema utilizzato in questo studio trasmette con successo i segnali dal cervello alla colonna vertebrale, non ha la capacità di restituire informazioni sensoriali al cervello. Inoltre, il team non è stato in grado di testare la pressione esercitata dagli animali sulla gamba interessata. Mentre era chiaro che l'arto stava sopportando un certo peso, non era chiaro da questo lavoro quanto.

"In uno studio traslazionale completo, vorremmo fare più quantificazioni su quanto sia equilibrato l'animale durante la deambulazione e misurare le forze che sono in grado di applicare", dice Borton.

Nonostante i limiti, la ricerca pone le basi per futuri studi sui primati e, a un certo punto, potenzialmente come aiuto per la riabilitazione negli esseri umani.

"Nella neuroscienza c'è un adagio che i circuiti che si accendono insieme collegano insieme", dice Borton. "L'idea qui è che coinvolgendo il cervello e il midollo spinale insieme, potremmo essere in grado di migliorare la crescita dei circuiti durante la riabilitazione. Questo è uno dei principali obiettivi di questo lavoro e un obiettivo di questo campo in generale. "

I finanziamenti provenivano dal Settimo programma quadro della Comunità europea, dalla International Foundation for Research in Paraplegia Starting Grant del Consiglio europeo della ricerca, dal Centro Wyss di Ginevra Marie Curie Fellowship, Marie Curie COFUND EPFL fellowships, Medtronic Morton Cure Paralysis Fund fellowship, NanoTera.ch Programma, Centro nazionale di competenza nella ricerca nel programma Sinergia della robotica, Cooperazione scientifica e tecnologica sino-svizzera e Fondazione nazionale svizzera della scienza.

Fonte: Brown University

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