I chip cerebrali danno ai pazienti paralizzati nuovi poteri

I neuroscienziati sognano di creare protesi neurali che permettano ai pazienti paralizzati di riprendere il controllo su braccia e gambe. Sebbene questo obiettivo sia ancora lontano, i ricercatori della Brown University e del Massachusetts General Hospital stanno segnalando un promettente passo avanti.

Matthew Nagle, un uomo di 25 anni che è rimasto paralizzato dopo una ferita da coltello nel 2001, è stata la prima persona a testare una serie di elettrodi impiantati chirurgicamente. (Credito: Joshua Paul.)

In uno studio pubblicato sulla rivista Natura questa settimana, i ricercatori descrivono come due pazienti paralizzati con un dispositivo neurale impiantato chirurgicamente hanno controllato con successo un computer e, in un caso, un braccio robotico, usando solo la loro mente.

[Clicca qui per vedere i video del paziente controllare un cursore del computer e un mano protesica .]

È la prima volta che tali risultati vengono raggiunti con impianti neurali nell'uomo. I ricercatori stanno ora perfezionando il sistema sperimentale in un prodotto commerciale, uno che potrebbe aiutare i pazienti nella loro vita quotidiana. Hanno in programma di rendere il dispositivo wireless e completamente impiantabile e di migliorare la velocità e la complessità dei movimenti che i pazienti che utilizzano l'impianto possono eseguire.

È uno studio fondamentale perché mostra che anche anni dopo l'infortunio, puoi ancora registrare segnali utili dal cervello e usarli per guidare un dispositivo, afferma Joseph Pancrazio , direttore del programma per la ricerca sull'ingegneria neurale presso il National Institutes for Neurological Disorders and Stroke a Bethesda, MD. Questo gruppo ha davvero spinto la frontiera.

Durante le lesioni del midollo spinale e alcuni tipi di ictus, il sistema di trasmissione delle informazioni tra il cervello e i muscoli viene interrotto. I dispositivi neurali, come quello utilizzato nello studio, mirano a registrare ed elaborare segnali esistenti e utilizzarli per controllare un cursore di computer, un braccio robotico o persino un arto paralizzato. I ricercatori Brown/MGH hanno impiantato per la prima volta un chip cerebrale in un essere umano nel giugno 2004. E mentre da allora ci sono stati segni di successo, il Natura paper è la prima pubblicazione peer-review che descrive in dettaglio cosa possono fare i pazienti paralizzati con l'impianto. ( Revisione della tecnologia riportato sul lavoro di Donoghue con Nagle l'anno scorso, in Implanting Hope, marzo 2005.)

L'interfaccia cervello-computer utilizzata nello studio, realizzata da cibercinetica Neurotechnology Systems a Foxborough, MA, è costituito da un minuscolo chip di silicio contenente 100 elettrodi che registrano segnali da centinaia di neuroni nella corteccia motoria. Un algoritmo informatico traduce quindi questo complesso modello di attività in un segnale utilizzato per controllare un dispositivo esterno.

Il primo paziente a cui è stato impiantato il dispositivo, un uomo di 25 anni che è rimasto paralizzato dopo una ferita da coltello nel 2001, ha imparato con successo a controllare il cursore di un computer, muovendosi abilmente attraverso un programma di posta elettronica e utilizzando il computer per accendere un televisore e cambia canale Quando il dispositivo è stato collegato a una mano robotica, ha imparato rapidamente a controllare la mano, raccogliendo e lasciando cadere un pezzo di caramella nella mano di un tecnico. È stato emozionante perché se ne è accorto molto rapidamente, circa dieci minuti, dice John Donoghue , scienziato senior del progetto, fondatore di Cyberkinetics e neuroscienziato alla Brown University di Providence, RI. (Fare clic qui per vedere il video del paziente che controlla un cursore del computer e una mano protesica.)

Anche altri due pazienti nello studio, entrambi con diversi tipi di lesioni, hanno imparato a manipolare un programma per computer, sebbene non abbiano ancora provato il braccio robotico. I risultati mostrano che è possibile utilizzare questi dispositivi in ​​un ambiente reale, ma abbiamo ancora molta strada da fare prima dell'uso quotidiano, afferma Donohue.

I neuroscienziati hanno utilizzato dispositivi simili nelle scimmie e in altri animali per diversi anni, ma lo studio di Donohue è il primo a testare array di elettrodi impiantati chirurgicamente in pazienti umani. È un grande salto portare questa tecnologia negli esseri umani, afferma Stefano Scott , neuroscienziato della Queen's University di Kingston, in Ontario, che ha scritto un commento che accompagna il documento. Questo ha avuto un discreto successo per un primo tentativo: i pazienti hanno mostrato alcune capacità impressionanti.

Sebbene i risultati siano promettenti, gli esperti avvertono che la tecnologia è nelle prime fasi. Questo è ancora lontano dall'essere un dispositivo utile che aumenta effettivamente la qualità della vita di questo paziente, afferma Andrew Schwartz , un neuroscienziato dell'Università di Pittsburg che studia dispositivi simili negli animali. La stessa tecnologia funziona meglio nelle scimmie, il che suggerisce che è necessario lavorare di più nella progettazione degli elettrodi di registrazione e dei filtri software, afferma.

Attualmente, gli ausili disponibili per i pazienti paralizzati, come i programmi per computer attivati ​​dalla voce o dai movimenti oculari, si basano su un segnale secondario per eseguire il comando e richiedono sia un periodo di addestramento che un alto livello di concentrazione. Un dispositivo impiantato ha il potenziale per aiutare i pazienti in un modo molto più naturale. Attinge a tutte le informazioni che il cervello usa per muovere [i muscoli], dice Donoghue. Poiché imita il normale sistema di elaborazione del cervello, i pazienti possono controllare un cursore e parlare allo stesso tempo, dice.

Donoghue e colleghi stanno ora adattando il sistema sperimentale in un dispositivo per un uso più ampio. L'attuale sistema ha fili che collegano l'impianto a un computer esterno attraverso il cranio, il che comporta il rischio di infezione. I ricercatori hanno in programma di miniaturizzare l'hardware e renderlo wireless, in modo che l'intero sistema possa essere impiantato.

Il team sta anche sviluppando un nuovo software di analisi, che sperano consentirà tipi di movimento più sofisticati. Attualmente, i pazienti possono navigare in un programma di posta elettronica o eseguire movimenti grezzi con un braccio robotico; ma non possono svolgere compiti più complessi, come usare il braccio robotico per digitare su una tastiera o per mangiare una scodella di zuppa.

Per realizzare movimenti così complicati, gli scienziati devono prima creare un decodificatore migliore, l'algoritmo che interpreta i segnali neurali del cervello. Quando il cervello si prepara a muovere, diciamo, una mano da sinistra a destra, milioni di neuroni nella corteccia motoria del cervello si attivano in un modo specifico. I ricercatori generano il decodificatore chiedendo ai pazienti di immaginare di muovere la mano in un cerchio, il che fa scattare l'attivazione dei neuroni come se l'arto paralizzato si stesse muovendo. Un programma per computer quindi registra ed elabora queste informazioni, creando infine un filtro che traduce la successiva attività neuronale nelle azioni desiderate.

Ma il filtro ha ancora una capacità molto più limitata di tradurre le informazioni rispetto al cervello. Utilizza i dati di centinaia di neuroni anziché milioni e raccoglie informazioni da una singola parte del cervello. Donohue e colleghi stanno ora sviluppando diversi tipi di algoritmi per vedere quali sono i più adattabili e sfruttare al meglio i segnali neurali disponibili.

Possiamo testare diversi algoritmi e i pazienti possono dirci quali sono più semplici o più naturali, afferma Leigh Hochberg, neurologo del Massachusetts General Hospital e autore principale dello studio. Sospetto che se potessimo continuare a migliorare la decodifica solo da una piccola area e magari registrare da più aree del cervello, potremmo essere in grado di migliorare ulteriormente la varietà di sistemi di controllo a disposizione delle persone.

Altri scienziati stanno anche sviluppando modi per rendere le interfacce cerebrali molto più veloci. Per un paziente, questo potrebbe significare la differenza tra faticare a scrivere un'e-mail e comporne una con poco sforzo. Lavorare con i primati, Krishna Shenoy e colleghi della Stanford University di Stanford, in California, sono stati in grado di quadruplicare i tassi di trasferimento delle informazioni utilizzando un impianto simile, ma registrando da una parte diversa del cervello. Per un essere umano, ciò si tradurrebbe nella digitazione di 15 parole al minuto invece di solo quattro.

Donoghue alla fine progetta di adattare il suo sistema per eseguire un'impresa ancora più grandiosa. Il team sta collaborando con gli scienziati della Case Western Reserve University di Cleveland, OH, per creare un dispositivo che utilizza i segnali del cervello per stimolare elettricamente i muscoli paralizzati, consentendo potenzialmente ai pazienti di muovere gli arti.

Non sorprende che questo sia ciò che le persone desiderano di più. Quando Donoghue ha chiesto a un paziente se avrebbe preferito essere in grado di eseguire movimenti sofisticati con un braccio protesico o movimenti rozzi con il proprio braccio, ha scelto quest'ultimo. L'idea di rianimare il proprio corpo era molto più importante di quanto sofisticato potesse essere il movimento, afferma Donoghue.

nascondere