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Ratti paralizzati camminano di nuovo
I ratti paralizzati da una lesione del midollo spinale possono imparare a controllare di nuovo i loro arti posteriori se vengono addestrati a camminare in un dispositivo riabilitativo mentre la loro parte inferiore della colonna vertebrale è stimolata elettricamente e chimicamente. Nei prossimi anni potrebbe iniziare una sperimentazione clinica che utilizzi un sistema simile costruito per l'uomo.
Ricercatori in Svizzera hanno utilizzato la stimolazione elettrica e chimica per eccitare i neuroni nel midollo spinale inferiore di ratti paralizzati mentre i roditori erano sospesi da un giubbotto che li costringeva a camminare usando solo le zampe posteriori. La procedura riabilitativa ha portato alla creazione di nuove connessioni neuronali tra la corteccia motoria del cervello che dirige il movimento e la parte inferiore della colonna vertebrale, riferiscono i ricercatori in Scienza.
Ricerche precedenti hanno dimostrato che è possibile invertire alcuni degli effetti della lesione del midollo spinale aggirando la normale connessione tra il cervello e le gambe, che viene interrotta dalla lesione. Ad esempio, la deambulazione può essere attivata nei ratti con lesioni del midollo spinale se la loro colonna vertebrale è stimolata. Ma fino ad ora, tale movimento è stato involontario. Questa nuova ricerca mostra che con un sistema di addestramento specializzato, ratti simili possono riprendere il controllo volontario sulle loro gambe.
Un rapporto pubblicato l'anno scorso ha mostrato la prova di principio che questo tipo di approccio può funzionare nei pazienti, afferma Gregoire Courtine , autore senior dello studio sui ratti. Nel maggio 2011, il 25enne Rob Summers, che era stato paralizzato dal petto in giù in un incidente d'auto, è stato segnalato per stare in piedi da solo per alcuni minuti con la stimolazione elettrica del suo midollo spinale. Potrebbe anche fare passi ripetuti su un tapis roulant con la stimolazione, che attiva le regioni del midollo spinale inferiore che controllano la deambulazione. La locomozione risultante da questo tipo di stimolazione è automatica e involontaria e si pensa che non richieda alcuna comunicazione diretta da parte del cervello.
Courtine aveva precedentemente dimostrato che questo tipo di camminata automatica potrebbe avviare schemi di camminata negli arti posteriori di ratti feriti dal midollo spinale che sono stati stimolati a livello spinale mentre erano su un tapis roulant. Poiché la colonna vertebrale poteva controllare lo schema del cammino, Courtine sospettava che sarebbe stato necessario solo un debole segnale dal cervello affinché gli animali iniziassero a camminare volontariamente.
Per verificare se i ratti potessero recuperare il controllo cerebrale di questi movimenti, lui e il suo team hanno sviluppato un sistema di supporto robotico che sospende i ratti in una posizione eretta bipede e aiuta con l'equilibrio ma non fornisce alcuno slancio in avanti. Dieci ratti paralizzati sono stati addestrati giornalmente a camminare con la stimolazione sia su un tapis roulant che nel sistema robotico. Dopo due o tre settimane, i ratti hanno mosso i primi passi volontari. Questa è la prima volta che vediamo il controllo volontario della locomozione in un animale con [una ferita] che normalmente lo lascia completamente paralizzato, dice Courtine.
La chiave di questo recupero è stato il ruolo attivo del cervello del ratto nel voler andare avanti. La stimolazione elettrica e chimica mette il sistema nervoso del topo in uno stato in cui è possibile camminare, afferma la coautrice dello studio Janine Heutschi, e quindi è necessario che il topo voglia camminare. Il desiderio dei topi di camminare è stato motivato dalle ricompense di cioccolato e dall'incoraggiamento vocale dei ricercatori (che puoi sentire in questo video dell'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia). Il sistema di sospensione robotica costringe i roditori a usare i loro arti posteriori dormienti e a non trascinarsi in avanti con gli arti anteriori ancora funzionanti.
La combinazione di stimolazione elettrochimica e allenamento attivo, che includeva salire le scale e aggirare gli ostacoli, ha portato a nuove connessioni neuronali che hanno aggirato il sito della lesione. Abbiamo promosso un ampio rimodellamento delle connessioni neuronali non solo nel sito della lesione ma in tutto il sistema nervoso centrale, compreso il cervello, afferma Courtine. La cosa più sorprendente, dice, è stato l'aumento di quattro volte delle proiezioni neuronali inviate al tronco cerebrale dalla corteccia motoria, che fornisce il controllo cosciente dei movimenti. La corteccia motoria diventa la maestra del processo di riorganizzazione.
L'intento cosciente dei topi era necessario anche per il rimodellamento. I sistemi nervosi dei ratti che hanno ricevuto la stimolazione elettrochimica ma si sono allenati solo su tapis roulant non hanno mostrato i cambiamenti anatomici. È necessario incorporare un input dal cervello, afferma Heutschi. Non funziona se il topo è su un tapis roulant; devi costringerli a usare il cervello per controllare gli arti posteriori.
Il significato clinico dei risultati non è chiaro, secondo il neuroscienziato della Rutgers University Giovane saggio , a causa dell'insolita lesione chirurgica ai ratti sperimentali (due tagli su ciascun lato del cordone a diverse altezze). Una lesione più rilevante sarebbe stata una contusione o un livido del midollo spinale, dice.
Tuttavia, altri esperti pensano che i risultati siano promettenti per quei pazienti con lesioni del midollo spinale che non hanno un taglio completo attraverso il midollo. Anche se tutte le connessioni tra il cervello e il midollo spinale inferiore sono state interrotte nei ratti sperimentali, ci sono alcune fibre rimanenti, quindi la bellezza della loro tecnologia sta nell'usare il sistema di addestramento robotico per attivare quelle connessioni rimanenti che possono consentire alla corteccia di controllare il arti e per riacquistare il movimento volontario, dice Zhigang He , neuroscienziato della Harvard Medical School. Questo sistema di addestramento robotico fa sì che ciò accada, dice.
Sono in corso piani per sviluppare una versione a misura d'uomo del sistema di formazione e per testarne gli effetti nelle sperimentazioni cliniche in Europa. Anche i ricercatori dell'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia e di altre istituzioni europee stanno lavorando a una versione migliorata e impiantabile del sistema di stimolazione elettrica spinale che potrebbe trovare la sua strada negli esseri umani il prossimo anno.