Un pacemaker cardiaco a base neuronale
Negli esseri umani sani, la frequenza cardiaca varia all’interno del ciclo respiratorio accelerando il battito cardiaco durante la respirazione rispetto alla fase di espirazione. Questa modulazione della frequenza del battito cardiaco da parte della respirazione è definita aritmia del seno respiratorio e il suo declino è una prognosi precoce delle patologie cardiopatiche croniche, come le aritmie croniche o l’insufficienza cardiaca. È stato ipotizzato che il ripristino della variabilità cardiaca da battito a battito possa essere una terapia importante per queste malattie, che non vengono gestite in modo adeguato dalle terapie esistenti. Pertanto, un dispositivo che risponde al feedback fisiologico in modo simile ai neuroni respiratori potrebbe potenzialmente fornire una valida opzione di trattamento per le malattie cardiache croniche.
Un pacemaker che replica il battito cardiaco naturale
Il progetto CResPace, finanziato dall’UE, ha sviluppato un nuovo pacemaker che affronta questo paradigma risincronizzando le camere cardiache e ripristinando l’adattamento della frequenza cardiaca e dei ritardi della camera cardiaca al feedback fisiologico in base al battito. La funzione del pacemaker CResPace differisce da un pacemaker cardiaco convenzionale, che funziona fornendo una stimolazione elettrica a ritmo costante al muscolo cardiaco per mantenere un battito cardiaco regolare. La tecnologia replica la funzione dei circuiti neurali situati alla base del cervello noti come generatori centrali di pattern, che controllano la respirazione e la frequenza cardiaca. Il nostro pacemaker risincronizza la contrazione delle camere cardiache in risposta ai cambiamenti dei modelli respiratori, della concentrazione di ossigeno arterioso, dell’anidride carbonica arteriosa e della pressione sanguigna, allo scopo di far regredire la malattia cardiaca cronica», spiega il coordinatore del progetto, Alain Nogaret. Per raggiungere questo obiettivo, il team ha progettato sensori di gas arteriosi e sensori di pressione sanguigna che inviano queste informazioni al pacemaker in tempo reale. I sensori sono stati miniaturizzati e si prevede che troveranno applicazioni in una gamma più ampia di dispositivi bioelettronici per il monitoraggio e l’adattamento al feedback fisiologico.
Strumenti di calcolo per domare le dinamiche neuronali
Una delle principali sfide e difficoltà nell’implementazione dell’elettronica neuronale sui dispositivi bioelettronici è stata quella di controllare i circuiti neuronali artificiali in modo tale da fornire il corretto adattamento agli input fisiologici. Per questo, i ricercatori hanno sviluppato sofisticate tecniche computazionali che ottengono i parametri circuitali ottimali per replicare l’adattamento del cuore sano. Oltre a fornire il corretto adattamento, i circuiti neuronali hanno la capacità unica di risincronizzare i ritmi biologici grazie alla risposta non lineare dei neuroni. Ciò consente di evitare energia cardiaca malata e, in combinazione con l’adattamento, produrre un importante miglioramento della funzione cardiaca nei modelli di malattia. «La prospettiva di fermare la progressione di queste malattie cardiache letali e curarle è un importante risultato del progetto», sottolinea Nogaret.
Convalida del pacemaker
Il pacemaker cardiaco è stato convalidato nel suo ambiente operativo ripristinando la funzione cardiaca e ponendolo sotto modulazione respiratoria in modelli di malattia. La fase successiva di sviluppo è quella di rendere la tecnologia pronta per l’uso umano e conforme alla marcatura CE. La base della tecnologia può estendersi ad altre malattie per ripristinare la normale funzione degli organi colpiti. Inoltre, l’approccio CResPace predispone il terreno per l’ingegneria neuromorfica in quanto riassume fedelmente le dinamiche neuronali native su un chip.
Parole chiave
CResPace, pacemaker cardiaco, circuiti neuronali, aritmia sinusale respiratoria, generatori centrali di pattern
