Arti bioniche controllate dal cervello stanno avvicinandosi sempre di più alla realtà

La parola "bionico" evoca visioni di fantascienza di esseri umani potenziati a livelli sovrumani. È vero che i progressi dell'ingegneria, come motori e batterie migliori, insieme alla moderna informatica, significano che i sistemi meccanici ed elettronici necessari non sono più un ostacolo per le protesi avanzate. Ma il campo ha faticato ad integrare queste potenti macchine con il corpo umano.

Questa situazione sta iniziando a cambiare. Un recente studio ha testato una nuova tecnica di integrazione, che prevede la ricostruzione chirurgica di coppie muscolari che forniscono ai destinatari un senso della posizione e del movimento di un arto bionico. I segnali provenienti da quei muscoli controllano le articolazioni robotiche, quindi la protesi è completamente sotto il controllo del cervello dell'utente. Il sistema ha permesso alle persone con amputazioni sotto al ginocchio di camminare in modo più naturale e di affrontare meglio pendenze, scale e ostacoli, hanno riferito i ricercatori su Nature Medicine del mese di luglio.

Gli ingegneri hanno tipicamente visto la biologia come un limite fisso da superare, afferma il bioingegnere Tyler Clites, che ha aiutato a sviluppare la tecnica diversi anni fa mentre era al MIT. "Ma se consideriamo il corpo come parte del sistema da ingegnerizzare, in parallelo con la macchina, i due saranno in grado di interagire meglio."

Questo punto di vista sta guidando una serie di tecniche che rirringono il corpo per integrarsi meglio con la macchina. Clites, ora all'UCLA, chiama tali tecniche "anatomiche", per distinguerle dalle bioniche tradizionali. "Il problema che stavamo affrontando non era un problema di ingegneria", dice. "Il modo in cui il corpo era stato manipolato durante l'amputazione non lo stava lasciando in una posizione in grado di controllare gli arti che stavamo creando."

In un approccio anatomico, le ossa vengono sfruttate per fornire ancoraggi stabili; i nervi vengono riorientati per creare segnali di controllo per gli arti robotici o trasmettere feedback sensoriale; i muscoli vengono sfruttati come amplificatori biologici o innestati nel posto giusto per fornire più sorgenti di segnale. Queste tecniche migliorano tutte la connessione e la comunicazione tra un arto robotico e il sistema nervoso umano, migliorando le capacità delle protesi bioniche.

Gli apparecchi basati su tecniche anatomiche hanno impiegato del tempo per uscire dai laboratori e per entrare nei mondi commerciale e clinico. Ma alcuni sostengono che il settore ci sta avvicinando sempre di più a quella visione di fantascienza di arti bionici, controllati dal cervello e integrati in modo perfetto, specialmente considerando i progressi a portata di mano.

Ecco un'analisi più approfondita su come i ricercatori stanno cercando di sposare corpo e macchina.

La propriocettività - la consapevolezza del corpo di se stesso nello spazio - è un senso difficile da ripristinare, ma è importante per il movimento, specialmente per camminare. I muscoli inviano segnali al nostro cervello sulla posizione del nostro corpo, su come si sta muovendo e sulle forze che incontra. Questi segnali sono generati principalmente da muscoli accoppiati chiamati coppie agonista-antagonista, dove uno si contrae mentre l'altro si allunga.

In una tradizionale amputazione, questo fondamentale feedback viene scartato. Ma la tecnica descritta nello studio di luglio, nota come interfaccia mio-neuro-muscolare agonista-antagonista, o AMI, ricostruisce chirurgicamente queste coppie di spinta-tiro e utilizza i segnali che generano per controllare le articolazioni protesiche. La procedura consente al destinatario di "sentire" il proprio arto protesico.

"Quando la protesi si muove, la persona effettivamente sente quel movimento come una naturale sensazione propriocettiva", afferma il bionico dell'MIT Hugh Herr, che ha sviluppato la tecnica insieme a Clites e al chirurgo del team Matthew Carty.

Lo studio recente faceva parte di uno studio clinico che Herr e colleghi stanno conducendo, che ha testato la tecnica su 14 persone con amputazioni sotto al ginocchio. Sette partecipanti avevano subito la procedura AMI, mentre gli altri avevano subito amputazioni standard. I destinatari del sistema basato su AMI hanno aumentato la velocità di camminata di circa il 40% da 1,26 metri al secondo a 1,78 metri al secondo, hanno scoperto i ricercatori, una velocità comparabile a quella delle persone senza amputazione.

Le lamentele più comuni degli utilizzatori di protesi riguardano il dolore e il disagio. Una delle maggiori fonti di disagio è il punto di attacco.

"Molti dei problemi con l'uso della protesi sono legati alla calotta", afferma il bioingegnere Cindy Chestek dell'Università del Michigan ad Ann Arbor. Il tessuto molle non è adatto al trasferimento di carichi nella parte del corpo costruita per quel compito - le ossa. Lo sforzo risultante può causare danni ai tessuti e, inevitabilmente, disagio, portando talvolta gli utenti ad abbandonare il loro dispositivo.

Una tecnica chiamata osso-integrazione sfrutta il fatto che certi metalli si legano all'osso. Un bullone di titanio inserito nello scheletro ancorizza la protesi in posizione, fornendo maggiore resistenza, stabilità e comfort. "C'è un motivo per cui abbiamo lo scheletro", dice Chestek.

La procedura è stata prima eseguita nel 1990 ma non è diventata ampiamente accettata e clinicamente disponibile fino all'ultima decade. Un sistema di impianto, chiamato OPRA, ha ricevuto l'approvazione dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti nel 2020. Il principale svantaggio è che il bullone in titanio deve passare attraverso la pelle, creando un buco permanente che porta rischi di infezione. "Oltre al rischio di infezione, l'osseointegrazione è migliore in tutti i modi", dice Chestek.

I bionici hanno da tempo cercato di sfruttare i nervi del corpo per creare protesi che comunicano con il cervello. Ma i primi tentativi sono stati frustranti, principalmente perché i segnali che i nervi trasportano sono molto deboli.

"Le persone hanno cercato per decenni di ottenere segnali significativi da [inserire] un filo all'interno di un nervo", dice Chestek. "Ancora oggi, è quasi impossibile al di fuori di un ambiente di laboratorio controllato".

Le protesi bioniche moderne comunicano principalmente con i muscoli. Quando attivati da un nervo, i muscoli emettono segnali elettrici molto più grandi, che possono essere rilevati da elettrodi sulla pelle, che poi controllano l'arto protesico.

Ma i nervi che precedentemente operavano parti di un arto mancante - e potrebbero altrettanto efficientemente operare l'arto artificiale - di solito non finiscono nei muscoli. Non vanno da nessuna parte, il che crea neuromi, bozzi alle estremità nervose il cui "scintillio" elettrico causa dolore.

Una procedura chiamata reinervazione muscolare mirata, o TMR, risolve questo problema. Un chirurgo spoglia i muscoli dei loro nervi nativi e devia i nervi sezionati su questo terreno appena sgomberato. I nervi deviati crescono nei muscoli nel tempo, che agiscono come amplificatori, creando fonti dei segnali di controllo richiesti. "Si trasforma un problema di registrazione nervosa in un problema di registrazione muscolare", dice Chestek. "La registrazione muscolare è facile." La procedura tratta anche il dolore da neuromi - uno scopo per il quale spesso viene eseguita.

Un svantaggio è che il TMR cannibalizza i muscoli esistenti, limitando il numero di segnali che possono essere creati. "Si esaurisce abbastanza rapidamente lo spazio disponibile", dice Chestek. Questo è particolarmente importante per gli amputati sopra il ginocchio o il gomito, dove ci sono meno muscoli rimanenti e più articolazioni protesiche da controllare.

Una nuova tecnica, nota come interfaccia nervosa periferica rigenerativa, o RPNI, inserisce chirurgicamente piccoli innesti muscolari prelevati altrove e devia i nervi verso questi invece. I chirurghi possono quindi dissezionare questi fasci nervosi nei loro fiber costituenti per sfruttare i nuovi bersagli innestati, consentendo ai ricercatori di creare quanti segnali necessitano, dice Chestek.

Il ridotto dimensionamento degli innesti muscolari rende difficile rilevare i segnali da essi utilizzando gli elettrodi superficiali, però. "Non puoi registrare [segnali elettrici] da un pezzo di muscolo di tre centimetri attraverso la pelle molto facilmente," dice Chestek. "Devi utilizzare degli elettrodi impiantati." Questo è più invasivo, e gli impianti affrontano ostacoli regolamentari, ma gli elettrodi impiantati producono segnali di qualità superiore. Devono solo essere accessibili in qualche modo, poiché far correre fili attraverso la pelle non è fattibile al di fuori degli studi di laboratorio.

Alcuni ricercatori stanno lavorando su sistemi wireless, ma un'altra soluzione è quella di combinare gli RPNI con l'osseointegrazione. In questa configurazione, i fili tra gli elettrodi impiantati e la protesi semplicemente passano attraverso il bullone di titanio. Uno studio pubblicato l'anno scorso ha descritto un braccio bionico al di sopra del gomito utilizzando questo approccio che ha permesso al destinatario di controllare ogni dito della sua mano robotica.

Nel suo laboratorio di anatomia UCLA, Clites dice: "Ho circa nove o dieci collaborazioni attive con chirurghi su diversi progetti." Qui, lui e il suo team utilizzano cadaveri per testare idee e raccogliere dati. "Montiamo arti di cadaveri su un braccio manipolatore e valutiamo i sistemi che stiamo sviluppando per assicurarci che funzionino come previsto," dice Clites. "È il fondamento di ciò che facciamo."

Uno dei progetti in fase di sviluppo è un nuovo metodo di attacco che evita il buco permanente che deriva dall'osseointegrazione. Invece di un bullone in titanio, c'è un pezzo di acciaio nell'arto e un elettromagnete nella presa della protesi. "Quel magnete tiene [la presa] sull'arto," dice Clites, "e poi puoi controllare quanto forza attrattiva c'è cambiando la corrente attraverso quel elettromagnete." La presa non deve sopportare i carichi; la forza magnetica svolge quel lavoro, cambiando da momento a momento in base alle esigenze, come camminare rispetto a stare in piedi.

Al MIT, Herr sta lavorando anche a un nuovo avanzamento. Il recente studio sulle gambe bioniche basate su AMI ha utilizzato elettrodi sulla pelle per guidare i segnali dai muscoli alle articolazioni protesiche. Ma gli elettrodi superficiali hanno svantaggi, come distorsioni dei segnali causate dal movimento. La nuova tecnica, chiamata magnetomicrometria, prevede di posizionare sfere magnetiche all'interno dei muscoli e monitorare il loro movimento con magnetometri. "Con questi magneti," dice Herr, "possiamo misurare ciò che ci interessa e usarlo per controllare direttamente la protesi bionica." Entro circa cinque anni, afferma, esisterà un prodotto commerciale.

Per Herr, tali progressi sono personali. Entrambe le sue gambe sono state amputate sotto il ginocchio dopo un incidente in montagna 42 anni fa. Sta pensando di passare a protesi per gambe bioniche basate su AMI nei prossimi anni. Una volta che queste tecniche saranno perfezionate, prevede un balzo in avanti. "Quando si uniscono tecniche chirurgiche come AMI e RPNI con qualcosa come la magnetomicrometria, crediamo che sarà game over," dice Herr. "Crediamo che ci sarà la versione Hollywoodiana di arti robotici controllati dal cervello."

Un beneficio aggiuntivo del ripristino della propriocettività, insieme ad altri tipi di feedback sensoriali come il tatto, è che fa sentire ai destinatari che una protesi fa parte di loro (SN: 4/22/21). "L'obiettivo nel campo è che quando facciamo ricostruzioni robotiche, la persona dica, 'Oh Dio mio, mi hai restituito il mio corpo.'" dice Herr. "Invece di uno strumento robotico, diamo loro indietro un intero arto. Il campo è molto vicino a quell'obiettivo."