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Fondere perfettamente uomo e macchina
Un nuovo impianto seminato con cellule muscolari potrebbe integrare meglio gli arti protesici con il corpo, consentendo agli amputati un maggiore controllo sulle appendici robotiche. Il costrutto, sviluppato presso l'Università del Michigan, è costituito da minuscole coppe, realizzate con un polimero elettricamente conduttivo, che si adattano alle terminazioni nervose e attirano i nervi recisi. I segnali elettrici provenienti dal nervo possono quindi essere tradotti e utilizzati per muovere l'arto.
Interfaccia vivente: Le cellule muscolari (mostrate qui) vengono coltivate su un'impalcatura biologica. I nervi recisi rimasti dall'arto perso si collegano alle cellule muscolari nell'interfaccia, che trasmette segnali elettrici che possono essere utilizzati per controllare il braccio artificiale.
Sembra che potrebbe essere un modo elegante per controllare una protesi con un movimento preciso, afferma Rutledge Ellis-Behnke, uno scienziato del MIT che non è stato coinvolto nella ricerca. Piuttosto che avere un grosso pezzo di plastica legato al braccio, potresti effettivamente avere uno strumento integrato che sembra parte del corpo.
Oggi, il movimento della maggior parte delle protesi è faticoso e limitato. Gli arti sono controllati dal movimento cosciente del muscolo rimanente: chi lo indossa potrebbe contrarre un muscolo del torace per muovere il braccio in una certa direzione, per esempio. Il cablaggio dei nervi residui direttamente agli arti artificiali fornirebbe un modo più intuitivo per controllarli. Ma gli sforzi per costruire interfacce nervose periferiche sono stati ostacolati in gran parte dalla crescita di tessuto cicatriziale, che limita l'utilità e la durata dei dispositivi impiantati.
Il metodo di maggior successo per controllare una protesi fino ad oggi è una procedura chirurgica in cui i nervi che erano precedentemente attaccati ai muscoli di un braccio e di una mano persi vengono trapiantati nel torace. Quando chi lo indossa pensa di muovere la mano, i muscoli del torace si contraggono e quei segnali vengono usati per controllare l'arto. Sebbene rappresenti un grande miglioramento rispetto ai metodi esistenti, questo approccio fornisce ancora un livello limitato di controllo: solo circa cinque nervi possono essere trapiantati nel torace.
La nuova interfaccia, sviluppata dal chirurgo plastico Paul Cederna e colleghi, si basa su questo concetto, utilizzando cellule muscolari trapiantate come bersagli piuttosto che muscoli intatti. Dopo che un arto è stato reciso, i nervi che originariamente erano attaccati ad esso continuano a germogliare, alla ricerca di un nuovo muscolo con cui connettersi. (Questo processo biologico a volte può creare dolorosi grovigli di tessuto nervoso, chiamati neuromi, sulla punta dell'arto reciso.) Il nervo invia costantemente segnali a valle per dire alla mano cosa fare, anche se la mano non è lì, dice Cederna. Possiamo interpretare quei segnali e usarli per eseguire una protesi.
L'interfaccia è costituita da una piccola struttura a forma di coppa di circa un decimo di millimetro di diametro che viene impiantata chirurgicamente all'estremità del nervo, trasmettendo segnali motori e sensoriali dal nervo alla protesi. All'interno della coppetta c'è un'impalcatura di tessuto biologico seminato con cellule muscolari: poiché i nervi motori e sensoriali creano connessioni con i muscoli nei tessuti sani, le cellule muscolari forniscono un bersaglio naturale per le terminazioni nervose vaganti. Il nervo reciso cresce nella coppa e si connette alle cellule, trasmettendo segnali elettrici dal cervello. Poiché è rivestita con un polimero elettricamente attivo, la coppa funge da filo per captare i segnali elettrici e trasmetterli a un arto robotico. Il team di Cederna non sviluppa protesi da solo, ma afferma che i segnali potrebbero essere trasmessi tramite la tecnologia wireless esistente.
Finora, gli scienziati hanno testato l'interfaccia in roditori con un nervo periferico reciso, dimostrando che il nervo crescerà nella coppa e creerà connessioni con le cellule muscolari. Se riescono a mantenere intatta l'estremità del neurone in quell'area, questo è un importante passo avanti, afferma Ellis-Behnke. I nervi nei ratti hanno all'incirca le stesse dimensioni di quelli che sarebbero presi di mira negli esseri umani. La ricerca è stata presentata oggi in una conferenza del American College of Surgeons a Chicago.
Il dispositivo può anche restituire la sensazione ai nervi sensoriali, che trasmettono calore, pressione e altre informazioni dalla pelle al cervello. Come i nervi motori, i nervi sensoriali creano connessioni con le cellule muscolari nella coppa. Nei test sui roditori, gli scienziati hanno bloccato due nervi in un singolo animale: un motore e uno sensoriale. Sebbene il ratto non avesse una protesi, gli scienziati sono stati in grado di dimostrare che l'impianto potrebbe collegare il nervo reciso, trasmettendo messaggi neurali attraverso di esso; solleticare il piede del ratto ha innescato l'attività delle cellule muscolari nell'impianto.
La capacità sensoriale è una delle principali componenti mancanti delle protesi odierne: il feedback tattile, della pressione e della temperatura è vitale per raccogliere un uovo fragile o una padella calda. Infine, gli arti protesici potrebbero essere dotati di sensori di calore o pressione che potrebbero trasmettere tali informazioni alle cellule muscolari nell'interfaccia e consentire l'invio di queste informazioni al cervello.
La ricerca è ancora nelle sue fasi iniziali e alcune domande devono ancora essere risolte. Dobbiamo scoprire quanto tempo ci vuole perché le connessioni diventino funzionali e quale sarà la durata e la robustezza, afferma Joseph Pancrazio , direttore del programma presso l'Istituto nazionale per i disturbi neurologici e l'ictus, che non era coinvolto nella ricerca. Ma sembra molto eccitante. La ricerca è finanziata dal Dipartimento della Difesa.
Uno dei principali problemi con gli impianti neurali fino ad oggi è stata la stabilità dei dispositivi, perché gli elettrodi impiantati spesso si ricoprono di tessuto cicatriziale e smettono di funzionare. Finora, per i sei mesi in cui gli scienziati hanno valutato le interfacce nei ratti, non ci sono stati segni di cicatrici. Sebbene gli scienziati non siano sicuri del perché, è possibile che la coppetta protegga l'impianto dalle reazioni infiammatorie che portano alla formazione di cicatrici, o che fornire un bersaglio per le cellule nervose smorzi del tutto queste reazioni ricreando un ambiente più normale per il nervo reciso. I ricercatori stanno ora monitorando gli impianti su base giornaliera per determinarne la durata nel tempo.
Una prima scoperta particolarmente promettente, tuttavia, è che il tessuto che circonda l'interfaccia fa crescere nuovi vasi sanguigni per nutrire le cellule muscolari impiantate, fornendo loro i nutrienti di cui hanno bisogno per sopravvivere.
Non è ancora chiaro quanti di questi pazienti con cappucci nervosi avrebbero bisogno per un controllo adeguato su un sofisticato arto artificiale. Qualcuno che ha perso il braccio all'altezza delle spalle, ad esempio, avrebbe bisogno di abbastanza cappucci nervosi per flettere ed estendere il gomito, il polso e le dita, così come quelli per i nervi sensoriali. L'unico limite, dice Cederna, sarà l'alta tecnologia con cui potranno realizzare le protesi.