Ricablaggio del cervello

Una coppia di scimmie parzialmente paralizzate ha riacquistato la capacità di muovere i polsi quando i ricercatori hanno collegato i singoli neuroni direttamente ai muscoli del braccio della scimmia, secondo uno studio pubblicato online su Natura di mercoledì.

Muovi un muscolo: Le scimmie paralizzate hanno riacquistato la capacità di muovere i polsi quando i loro sistemi nervosi sono stati ricablati. Collegando le cellule cerebrali direttamente alle cellule muscolari tramite un computer che traduce l'attività cerebrale in una scossa elettrica, i ricercatori hanno aggirato la connessione difettosa in modo che le scimmie potessero muovere i polsi precedentemente paralizzati per manipolare un cursore in una scatola sullo schermo.

Questo approccio sarebbe molto rilevante per i pazienti con lesioni del midollo spinale, afferma Northwestern University neuroscienziato Lee Miller , che non era coinvolto nei lavori.

I ricercatori, guidati da Eberhard Fetz , professore di fisiologia e biofisica presso la Università di Washington , paralizzò temporaneamente il braccio di ciascuna scimmia. Quindi hanno reindirizzato i segnali cerebrali attorno al percorso nervoso bloccato facendo passare i fili da un singolo neurone nella corteccia motoria, l'area del cervello responsabile del movimento, attraverso un computer e in un muscolo del braccio. Ogni volta che il neurone si attivava al di sopra di una certa velocità, il computer traduceva il segnale in una scossa di elettricità al muscolo del braccio, provocandone la contrazione.

Come test del ricablaggio, i ricercatori hanno fatto giocare a ciascuna scimmia un semplice videogioco. Muovendo il polso, la scimmia poteva manipolare un cursore sullo schermo di un computer. Spostare il cursore in una casella a lato dello schermo ha fatto guadagnare alla scimmia una ricompensa. Anche se la cellula cerebrale ricablata è stata scelta a caso, le scimmie hanno imparato rapidamente a muovere i polsi paralizzati.

Abbiamo scoperto, sorprendentemente, che quasi tutti i neuroni che abbiamo testato nel cervello potrebbero essere utilizzati per controllare questo tipo di stimolazione, afferma Chet Moritz, ricercatore senior presso l'Università di Washington e coautore dell'articolo. Anche i neuroni che non erano collegati al movimento del polso prima del blocco nervoso potevano essere controllati e cooptati.

Normalmente, il movimento del braccio, anche la contrazione di un singolo muscolo del braccio, non risulterebbe dall'attivazione di un singolo neurone ma dall'azione coordinata di molti neuroni nella corteccia motoria. Quei neuroni avrebbero avviato un segnale elettrico che si propagava lungo il midollo spinale e attraverso i nervi periferici per innescare movimenti del braccio su misura per l'intenzione della scimmia.

Altri gruppi hanno registrato quei complessi schemi di attivazione dei neuroni e hanno utilizzato algoritmi informatici per tradurli in azioni, ad esempio spostando il cursore di un computer. Invece, il gruppo dell'Università di Washington ha collegato un singolo neurone a un singolo muscolo. Il nostro approccio è creare la connettività grezza tra i singoli neuroni nel cervello e i muscoli, o gruppi di muscoli, e lasciare che la scimmia impari come usare quella connettività.

L'utilizzo di un singolo neurone ha i suoi vantaggi, afferma Moritz. Tradurre la velocità di scarica di una cella in una scossa elettrica è un calcolo semplice, facilmente realizzabile con un dispositivo delle dimensioni di un telefono cellulare. Tradurre misurazioni simultanee in una serie di movimenti muscolari coordinati richiede molta più potenza di calcolo.

Ma affinché l'approccio del singolo neurone sia utile a un paziente paralizzato, dovrà essere ampliato con successo. Contrarre il muscolo di un braccio offre poche ricompense pratiche; movimenti come raggiungere e afferrare richiedono che molti muscoli lavorino in concerto. I ricercatori hanno già compiuto passi in questa direzione. In primo luogo, hanno dimostrato che una singola cellula può far funzionare due muscoli diversi: un'alta frequenza di fuoco ha innescato la flessione del polso, mentre una bassa velocità di fuoco lo ha fatto estendere. Successivamente, hanno collegato due connessioni reindirizzate allo stesso tempo, con un neurone collegato al muscolo di estensione del polso e un altro al muscolo di flessione del polso.

Ma Andrew Schwartz , professore di neurobiologia presso il Università di Pittsburgh , è scettico. Un braccio mobile, dice Schwartz, è un sistema meccanico molto complicato. Ogni movimento sofisticato del braccio richiede non solo un gran numero di muscoli coordinati con precisione che agiscono su diverse articolazioni complesse, ma anche la propagazione delle forze lungo l'arto. Se la tua intenzione è quella di generare un movimento, devi in ​​qualche modo calcolare l'effetto di tutte queste forze sul braccio, dice Schwartz. Non è solo 'Attiva un muscolo e il braccio va dove vuoi'. C'è molta matematica coinvolta.

Secondo il gruppo dell'Università di Washington, potrebbe essere possibile aggirare la questione di come generare movimenti intricati collegando una singola cellula cerebrale direttamente a una regione specifica del midollo spinale . La stimolazione di una singola posizione nel midollo spinale spesso attiva da 10 a 15 muscoli diversi in un equilibrio preciso, afferma Moritz.

Al di là di eventuali carenze teoriche della strategia del singolo neurone, ci sono una serie di ostacoli tecnologici da superare prima che possa essere utilizzata nei pazienti. Le letture degli elettrodi da una singola cellula cerebrale possono degradarsi nel tempo, potenzialmente distruggendo la connessione reindirizzata. Di conseguenza, afferma Moritz, qualsiasi configurazione a lungo termine richiederebbe un certo grado di ridondanza.

Inoltre, aggiunge, il sistema sarebbe idealmente completamente impiantabile. Ogni volta che i fili sporgono attraverso la pelle, come hanno fatto negli esperimenti sulle scimmie, introducono rischi di infezione e distruzione. Il gruppo intende affrontare questo problema con componenti miniaturizzati e tecnologia wireless.

Poiché il loro approccio richiede una potenza di calcolo relativamente ridotta, afferma Moritz, riteniamo di poter essere un passo più vicini a sistemi a bassa potenza e completamente impiantabili.

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