Nuovi sistemi di elettrodi svelano i meccanismi alla base del movimento umano
Per quanto possa sembrare semplice, il fatto di muovere un braccio e una mano per afferrare un oggetto è il risultato di eventi complessi che hanno luogo nel nostro cervello, nel midollo spinale, nei nervi e nei muscoli. Questi cosiddetti eventi discreti comprendono scambi di ioni tra membrane, meccanismi elettrochimici e un pompaggio attivo di ioni attraverso dispendio di energia che insieme formano dei picchi – il linguaggio in cui il mondo esterno viene codificato nel nostro cervello. Registrare e interpretare questo “codice neurale” di movimenti era l’obiettivo del progetto DEMOVE (Decoding the Neural Code of Human Movements for a New Generation of Man-Machine Interfaces). Mentre precedenti attività scientifiche si sono scontrate con l’impossibilità di rilevare ed elaborare l’attività dei neuroni motori e il codice neurale in umani intatti, il prof. Dario Farina e il suo team dell’Università di Göttingen hanno sviluppato nuovi sistemi di elettrodi per colmare questa lacuna. Questi nuovi sistemi forniscono registrazioni elettrofisiologiche in vivo da nervi e muscoli negli umani e nuovi metodi computazionali e modelli per estrarre informazioni significative dal punto di vista funzionale sul movimento umano. Aiutano a rispondere a interrogativi ancora aperti nel campo della neuroscienza del movimento, costruire un ponte tra la comprensione neurale e funzionale del movimento e potrebbero permettere nuove forme di interazione uomo-macchina. Come spiega l’attuale mancanza di soluzioni per monitorare l’attività neuronale legata al movimento in umani intatti? Per accedere ai neuroni del sistema nervoso centrale è necessario inserire elettrodi nel corpo umano e penetrare strutture neurali (cioè la corteccia motoria) a rischio di causare danni. Le procedure chirurgiche per tali interventi sono complesse e rischiose. Inoltre, le tecniche non invasive (per es. MRI, MEG o EEG) non hanno la selettività necessaria per decodificare la complessità dell’attività neurale durante i movimenti. In che modo i vostri sistemi di elettrodi vi permettono di superare tali problemi? Registriamo l’attività dei muscoli usando il tessuto muscolare come amplificatore biologico dell’attività nervosa. Quando i nervi si connettono ai muscoli, la loro attività neurale viene preservata e si può decodificare dall’attività elettrica del muscolo corrispondente. Questo significa che anche se registriamo la periferia del sistema (dai muscoli), possiamo identificare l’output dei circuiti del midollo spinale la cui attività determina il movimento. Cosa può dirci sui risultati ottenuti dal progetto fino a questo momento? Il progetto si concluderà alla fine di giugno di quest’anno. Ha prodotto risultati eccellenti in tutte le discipline analizzate. Per esempio, i sistemi di registrazione che abbiamo sviluppato ci hanno permesso di analizzare nuovamente le ipotesi fatte circa 80 anni fa sul controllo dei neuroni motori durante il movimento. I nuovi sistemi di registrazione danno la possibilità di decodificare l’attività di grandi popolazioni di neuroni motori e separare le informazioni del sistema nervoso centrale dai meccanismi periferici. I risultati hanno fatto fare passi avanti anche nel campo della neuro-meccanica rivelando le forze meccaniche prodotte dalle strutture neurali e nel campo dell’interfaccia uomo-macchina fornendo metodi intuitivi e validi per controllare le protesi mioelettriche. Quali sono state le maggiori difficoltà incontrate e come sono state superate? Il progetto è caratterizzato da un alto rischio e un alto guadagno e quindi abbiamo dovuto affrontare molte sfide. Ciononostante tutte queste sfide sono state affrontate con spirito di squadra e nessuna ha costituito un grande ostacolo. Alcuni esempi di queste sfide sono state l’esigenza di registrare l’attività di un ampio numero di muscoli simultaneamente, la decodificazione in contemporanea di grandi popolazioni di neuroni motori in vivo e l’uso di queste tecniche per controllare le protesi mioelettriche. Il principale risultato potenziale della vostra ricerca riguarda l’interazione uomo-macchina. Potrebbe fare degli esempi? Abbiamo proposto e provato la fattibilità in questo progetto di protesi degli arti superiori completamente controllate dall’attività di decine di neuroni motori, il cui comportamento è stato codificato a partire da registrazioni di muscoli, anche grazie a procedure chirurgiche avanzate. Mancano solo pochi mesi alla conclusione del progetto, che altro volete ottenere prima della sua fine? Il nostro principale centro d’interesse sarà il controllo dei neuroni motori nell’interfaccia uomo-macchina come mezzo per un controllo estremamente preciso e clinicamente attuabile. DEMOVE Finanziato nell’ambito di FP7-IDEAS-ERC Pagina del progetto su CORDIS
Paesi
Germania
