Il cervello e le protesi. È possibile la simbiosi tra umani e robot?

Protesi - Mani robotiche - Robotica - Bionica

Voglio evocare nella vostra mente due eventi: il primo è la serie TV “La donna bionica”, storia di un’agente segreto che, a seguito di un incidente, usa un braccio e gambe frutto della tecnologia. La seconda è il disco “The Man-Machine”, album dei Kraftwerk del 1978, il cui tema è l’armonia perfetta tra gli umani e le macchine.
I risultati ottenuti grazie alla scienza delle protesi sono portentosi; e noi siamo qui per scoprire quali sfide bisogna affrontare per fare in modo che una protesi diventi come parte del corpo, per usarla in maniera fluida e intuitiva.

Le protesi, ovvero: storia del bisogno che aguzza l’ingegno.

La spinta propulsiva alla base delle grandi invenzioni viene spesso generata da una tragedia. Le guerre giocano in questo caso un ruolo enorme, per il gran numero di amputazioni eseguite sulle persone coinvolte.
Per esempio, la fondazione della American Orthotic and Prosthetic Association, AOPA, nel 1917, e quindi della ricerca moderna sulle protesi, è direttamente connessa alle conseguenze della Guerra Civile Americana.

Naturalmente non sono solo gli amputati a ricercare l’autonomia perduta; abbiamo coloro che sono privi di un arto dalla nascita (situazione detta amelìa) e poi chi è rimasto paralizzato a seguito di incidenti (paraplegiatetraplegia).

In commercio esistono vari tipi di protesi:

  • ci sono le protesi cosmetiche, create in modo da essere esteticamente simili all’arto mancante, dette anche passive perché, togliendo il beneficio psicologico, non sono fatte per il movimento;
  • capaci di movimento sono le protesi meccaniche, che prevedono l’indosso di

    un’imbracatura e usano i movimenti del corpo per azionare la protesi; è un dispositivo utile, ma può essere scomodo, e fa piuttosto affidamento sulla forza fisica della persona.

Il discorso potrebbe anche finire qui, se la scienza delle protesi non si fosse intrecciata intimamente con la robotica dando vita a veri e propri arti robotici, dotati di più articolazioni funzionanti e perciò con molteplici gradi di libertà di movimento.

È la relazione che si instaura – o può instaurarsi – tra questi arti bionici e il sistema nervoso che ci interessa esplorare: e per farlo ci concentreremo sugli arti superiori e quindi sulle mani

Perché le mani, forgiate dall’evoluzione, sono il principale strumento di cui il nostro cervello dispone per agire; e perdere un arto, e quindi una mano, vuol dire che ci saranno cambiamenti profondi nella maniera di interagire con l’ambiente.

Ma adesso… apriamo una parentesi su cosa succede in una situazione di normalità.

Regolazione del movimento, una regia che non lascia nulla al caso.

Immaginiamo una situazione tipo, di essere al computer e di muovere il mouse mentre teniamo gli occhi fissi sul monitor.
Noi non abbiamo bisogno di guardare la nostra mano che usa il mouse (tenetelo a mente,Protesi - Mouse - Movimento - Controllo motorio perché ci tornerà utile dopo); i recettori sensoriali presenti sulle dita e sul palmo inviano costantemente info al cervello, informazioni che vengono usate dal lobo parietale, il quale costruisce una mappa della mano in relazione al mouse.

Ad un certo punto si apre un pop-up, un segnale visivo che attira la nostra attenzione, e con esso compare l’intenzione di muovere il cursore per chiudere quella finestra fastidiosa. Entrano in gioco specifiche zone della corteccia in grado di pianificare le sequenze motorie necessarie a spostare il mouse e a cliccare.

Tuttavia, l’istruzione “clicca il mouse” non viene inviata subito: il cervello intrattiene una fitta corrispondenza con il cervelletto, perché ha bisogno di diverse certezze:

  • conoscere in tempo reale lo stato di contrazione dei muscoli interessati (sensibilità propriocettiva)
  • i movimenti devono essere adattati al contesto ed essere precisi e armonici
  • è necessario fissare la postura del polso, con la contrazione bilanciata di agonisti e antagonisti, per evitare quelle torsioni spontanee che derivano dalla natura viscoso-elastica dei muscoli.

Alla fine, la corteccia motoria primaria invia – tramite il fascio piramidale – un segnale ai motoneuroni del midollo spinale:

Le fibre del fascio piramidale si ramificano in maniera estesa e innervano motoneuroni dedicati a muscoli differenti; così facendo si ottiene una sinergia del movimento, tutti i muscoli interessati lavorano insieme.

Una copia dei comandi della corteccia viene inviata al cervelletto, che ha bisogno di sapere continuamente quello che succede. Come il vostro vicino di casa.

Quando si perde un arto, o c’è una paralisi, cambiano molte cose…

I comandi per il controllo motorio sono ancora conservati nel sistema nervoso, solo diventano inaccessibili, perché

  • i muscoli deputati a certi movimenti non ci sono più (e ciò dipende dal grado di amputazione)
  • oppure non funzionano, perché c’è una lesione spinale (come accade nella tetraplegia).

Inoltre, l’encefalo non riceve più un feedback sensitivo dalle estremità, che abbiamo visto essere fondamentale per dirigere con accuratezza i movimenti.

La sfida della ricerca sta nel trovare la strategia vincente per accedere di nuovo a questi comandi.

Ad esempio, si può usare un’interfaccia neuroprotesica.

Significa muovere la protesi grazie a segnali elettrici captati da elettrodi messi in posizioni strategiche; e proprio la collocazione di questi elettrodi permette di distinguere tre tipi di controllo:

  • il controllo mioelettrico, realizzato grazie a elettrodi in superficie;
  • oppure, gli elettrodi possono essere a contatto con i nervi periferici;
  • la terza possibilità è quella dell’interfaccia cervello-computer (BCI, Brain Computer Interface).

Ognuno di questi approcci merita attenzione.

Controllo mioelettrico delle protesi.

Grazie a elettrodi piazzati sulla pelle, si possono registrare i segnali elettrici dovuti all’attività dei muscoli del moncone residuo, ovvero l’elettromiogramma di superficie (sEMG).

La maggior parte degli arti bionici motorizzati si avvale di questa tecnica.

I muscoli candidati a dare il segnale di movimento sono una coppia agonista-antagonista dell’arto amputato:

  • negli amputati transradiali (sotto il gomito) si usa una coppia flessore/estensore
    Protesi - Amputazione

    Un caso di amputazione transomerale e disarticolazione della spalla (Cheesborough et al. 2015).

    del polso1

  • negli amputati transomerali (sopra il gomito) si usa la coppia bicipite/tricipite brachiale
  • in coloro che hanno subìto la disarticolazione della spalla (cioè hanno perso tutto l’arto superiore) si adopera la coppia grande pettorale/infraspinato.

Per capire come funzionano le protesi mioelettriche prendiamo come esempio gli amputati transomerali: essi hanno bisogno di un dispositivo che comprenda un gomito mobile e una mano per i movimenti di presa.

Protesi - Amputazione transomerale - Controllo mioelettrico

Modificata da Cheesborough et al.

Insomma, il bicipite dà il segnale per la flessione del gomito e la chiusura della mano, mentre il tricipite controlla l’estensione del gomito e l’apertura della mano.
Per controllare la mano piuttosto che il gomito occorre la contrazione simultanea dei muscoli scelti; ciò ha delle implicazioni importanti:

Significa che il controllo mioelettrico non permette i movimenti coordinati di più articolazioni, come noi invece facciamo sempre senza rendercene conto.

Ma non solo, un altro grosso limite è che il sistema diventa progressivamente meno intuitivo al crescere del livello dell’amputazione. Cosa vuol dire?
Se negli amputati transradiali i muscoli che controllano le dita della mano e il polso in parte sono conservati, negli amputati transomerali non è così, cioè si devono usare per la mano dei muscoli che normalmente fanno tutt’altro; e il controllo diventa ancora più complesso per chi ha perso tutto l’arto superiore.

La conseguenza è che una tecnica così difficile da imparare e gestire scoraggia l’uso della protesi, che pure era stata proposta per restituire l’autonomia perduta.

Elettrodi a contatto con i nervi periferici.

Un esempio è il sistema USEA (Utah Slanted Electrode Array). Consiste nell’impiego di elettrodi che perforano l’epinevrio2 e registrano i segnali elettrici da un certo numero di fascicoli all’interno del nervo.

Sono elettrodi adatti a interpretare la grande varietà di segnali che servono ad azionare l’arto robotico; fatto dimostrato da uno studio, dove due soggetti sono stati in grado di muovere le singole dita di una mano robotica virtuale.
Per questo si dice che hanno una elevata risoluzione spaziale.

Neppure in questo caso la situazione è tutta rose e fiori. È una procedura invasiva e gli elettrodi così impiantati scatenano una risposta cellulare da corpo estraneo.

La BCI: Brain Computer Interface.

Nell’interfaccia cervello-computer, i segnali che guidano l’arto robotico sono direttamente quelli che nascono nel SNC (Sistema Nervoso Centrale) e si possono captare in tre modi:

  • con elettrodi piazzati sullo scalpo (praticamente un elettroencefalogramma, EEG)
  • tramite elettrodi posti sulla superficie della corteccia motoria (elettrocorticografia, ECoG)
  • oppure con elettrodi localizzati dentro il tessuto cerebrale.

Sicuramente la BCI permette alla protesi di eseguire in maniera assai precisa le istruzioni del cervello. Però c’è qualche piccolo problema…

Infatti, escludendo la prima opzione (dei segnali EEG), stiamo approcciando tecniche molto invasive: poiché bisogna eseguire una craniotomia – guadagnarsi un accesso alla cavità cranica – per installare gli elettrodi.
Ci sono i rischi dell’operazione chirurgica in sé ma anche rischi di infezione.

Per questo motivo l’uso della BCI è limitato ai casi di paraplegia e tetraplegia, nei quali è occorso un danno spinale, e quindi i nervi periferici non funzionano, e magari c’è una degenerazione neuromuscolare.

Senza contare la temibile risposta da corpo estraneo. L’avevamo nominata poco fa, adesso spieghiamo come funziona.

Un tempo si credeva che il sistema nervoso fosse un sito immunoprivilegiato, ma ormai

Protesi- Brain Computer Interface - Risposta da corpo estraneo - Microglia

Microglia, componente della risposta immunitaria nel SNC. Modificata da Kettenmann et al. (2011).

sappiamo che anche nel cervello può verificarsi una risposta immunitaria innata a una potenziale minaccia, in questo caso i poveri elettrodi.
Inoltre, un intervento di neurochirurgia interrompe la barriera emato-encefalica3, permettendo alle cellule immunitarie del sangue di accedere al sistema nervoso centrale.

Lo scopo della risposta da corpo estraneo è quello di isolare gli elettrodi attraverso la deposizione di tessuto fibroso. E ovviamente ciò significa che la procedura è fallita, quegli elettrodi non saranno più in grado di trasmettere i segnali per il movimento della/delle protesi.

Quindi, l’interfaccia neuroprotesica è un sistema innovativo ma presenta anche dei limiti; limiti che si potrebbero superare agendo più a valle, laddove i nervi periferici e i muscoli comunicano.

Targeted Muscle Reinnervation: la ricerca di un controllo più intuitivo delle protesi.

Il principio di base è sempre lo stesso: ci sono dei comandi motori, ancora conservati nel SNC, e li si vuole rendere di nuovo accessibili.

La TMR è una tecnica chirurgica che trasferisce dei nervi, al momento inutilizzati per via dell’amputazione, su nuovi target muscolari.

Detto così sembra una roba impossibile. Vediamo come funziona in pratica, prendendo come esempio gli amputati transomerali, una via di mezzo tra un’amputazione di “piccola” entità (passatemi il termine) e la perdita di tutto l’arto superiore.

Si comincia con due incisioni longitudinali sul moncone residuo.

  • L’incisione ventrale (sul davanti) serve a scoprire il bicipite, che è formato da due ventri muscolari, o capi.
    Il capo lungo viene lasciato in pace, e dà alla protesi il segnale flessione del gomitoil capo breve viene separato dal suo nervo, gli si fornisce un nuovo nervo (il nervo mediano), e da questo momento può fornire il segnale chiusura della mano
  • L’incisione dorsale espone il tricipite, formato da tre capi.
    Anche adesso il capo lungo viene lasciato intatto, per fornire il segnale estensione del gomito; al capo laterale del muscolo viene fornito un nuovo nervo, così che possa dare il segnale apertura della mano.

La chiave del successo di questa tecnica portentosa sta proprio nel nome: se separiamo un muscolo, o parte di esso, dal suo input motorio nativo, il nervo trasferito lo può reinnervare, tornando a funzionare.
E se una persona usa una protesi mioelettrica avanzata, grazie alla TMR i segnali mioelettrici permetteranno di controllare simultaneamente più articolazioni e in modo intuitivo.

Non è finita, c’è ancora un’altra possibilità. Ed è forse la più fantascientifica di tutte.

Storia di una protesi guidata da un fantasma.

Nella maggior parte degli amputati si verifica la cosiddetta sindrome dell’arto fantasma, descritta per la prima volta da un chirurgo francese nel 1552.

Il nome arto fantasma è stato coniato perché la persona sente un arto che non c’è più.

Le sensazioni possono essere di due tipi:

  • non dolorose, si percepiscono la pressione, la vibrazione, la temperatura e il prurito;
  • dolorose, si ha una sensazione di bruciore e formicolio, come essere punti continuamente da aghi e spilli.

Perché succede questo? I ricercatori pensano che alla base della sindrome ci sia la neuroplasticità, ovvero l’abilità dei neuroni di modificare le loro connessioni, e quindi, il loro comportamento.

È possibile che l’amputazione provochi una riorganizzazione corticale, e che determinate regioni cerebrali – ognuna dedicata a svolgere un compito – “si prendano” quelle parti di corteccia che sono rimaste inutilizzate.

C’è un risvolto molto interessante in questa vicenda: ben il 75% degli amputati può muovere il proprio arto fantasma, per esempio può chiudere la “mano” a pugno; e i movimenti fantasma (phantom limb movements, PLM) sono sempre accompagnati dalla contrazione di muscoli specifici nel moncone residuo.

Perciò i team di ricerca si sono chiesti: si può sfruttare l’arto fantasma per controllare le protesi?

Sembra di sì.
Uno studio preliminare condotto dal Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS, ha esplorato la possibilità di controllare una protesi usando solo i movimenti dell’arto fantasma, dunque senza ricorrere alla reinnervazione chirurgica, che resta una procedura invasiva.

L’esperimento è stato reso possibile dal fatto che i movimenti volontari dell’arto fantasma generano dei segnali EMG registrabili. Ancora una volta, i partecipanti (due) erano amputati transomerali, perché abbiamo visto che l’attività mioelettrica in essi è più difficile da decodificare.

Protesi - Arto fantasma - Braccio robotico

Illustrazione dell’esperimento (vedi Jarrassé et al. 2018).

Per poter muovere il braccio robotico è stato sviluppato un algoritmo capace di riconoscere l’attività mioelettrica generata dall’arto fantasma, e di riprodurre il movimento rilevato per mezzo della protesi.
Sia i partecipanti che l’algoritmo hanno dovuto allenarsi per svolgere un compito, che consisteva

  • nel raggiungere un oggetto (prima un cilindro, poi una pallina e infine una molletta)
  • staccarlo da un supporto di velcro
  • depositarlo in un contenitore apposito.

Tre controlli sani – che servivano per capire la significatività dei risultati – muovevano un braccio bionico usando un computer e un mouse.

Risultato: gli amputati hanno svolto il compito con successo, soprattutto se consideriamo il poco tempo avuto per familiarizzare col sistema, e il fatto che nessuno dei due usasse l’arto fantasma nella vita quotidiana.

Si ritiene che, negli amputati transomerali, il fenomeno dell’arto fantasma sia da correlare a una riorganizzazione corticale e/o neuromuscolare che compensa la perdita dei muscoli del polso e della mano.

Comunque, resta importante sottolineare due limiti di questo nuovo approccio.
In primo luogo, un ritardo di 512 ms provocato dall’algoritmo, che in più occasioni ha creato problemi, per esempio, la flessione del “gomito” non si fermava all’altezza desiderata.
Ma c’è di più: gli amputati cercavano istintivamente di correggere questi errori, riadattando i movimenti fantasma, ma l’algoritmo non li riconosceva, non essendo stato allenato a farlo!

I prossimi studi sicuramente dovranno interessarsi delle protesi che vengono indossate.

C’è un ultimo problema che dobbiamo affrontare; un problema di sensibilità.

Vi ricordate cosa abbiamo detto all’inizio? Ogni nostro movimento è accompagnato da un feedback sensoriale, perché il nostro cervello ha fame di info sensitive, con le quali studia l’ambiente e si adatta.

Le protesi disponibili in commercio non registrano le sensazioni.

Unendo ciò al fatto che gli amputati sentono ancora l’arto mancante, e questo arto fantasma viene percepito come più piccolo di quello perduto, ce n’è abbastanza perché la persona si trovi male con la protesi e l’abbandoni.

Una soluzione potrebbe essere ingannare il cervello, convincerlo che la protesi fa parte del corpo; ed è quello che ha cercato di fare un team di ricerca in Svizzera.

In questo studio preliminare, i partecipanti – due amputati alla mano – hanno indossatoProtesi - Sensazioni tattili - Realtà virtuale degli occhiali per la realtà virtuale. Mentre si fornivano delle sensazioni tattili al dito indice della mano fantasma, stimolando il nervo opportuno nel moncone, grazie agli occhiali gli esaminati vedevano brillare l’indice della protesi in sincronia con la stimolazione tattile.

Grazie alla combinazione di vista e tatto gli amputati sentivano come se la mano protesica appartenesse al corpo, e sentivano addirittura che l’arto fantasma si era allungato, estendendosi dentro la protesi; sensazione che perdurava fino a 10 minuti dopo la stimolazione sensoriale.

C’è da dire che forse il cervello non ha tanto bisogno di essere raggirato, poiché ha delle capacità di adattamento straordinarie.
Uno studio pubblicato sulla rivista Brain (2018), che ha coinvolto 32 persone prive di una mano, ha mostrato che l’esperienza quotidiana con una protesi, di qualsiasi tipo, reclutava le aree visive della corteccia occipito-temporale selettive per la mano, fenomeno definito dagli anglosassoni embodiment.

Per questo i ricercatori hanno ipotizzato che le modifiche del comportamento motorio – dalla mano naturale alla protesi – facilitino l’elaborazione visiva.

Avevo parlato della funzione visiva della corteccia occipito-temporale anche a proposito di Mike May (clicca qui).

È arrivata l’ora di salutarci. Vi lascio con questo video, dove potrete vedere in azione delle braccia robotiche assai sofisticate, e anche una delle grandi innovazioni dei nostri tempi al servizio delle protesi: la stampa 3D.

Alla prossima.

Ecco le fonti da cui ho tratto spunto per l’articolo:

M.J.T. Fitzgerald – Neuroanatomia con riferimenti funzionali e clinici, 6a ed.
École Polytechnique Fédérale de Lausanne (2018): Amputees feel as though their prosthetic limb belongs to their own body
Frontiers in Bioengineering and Biotechnology (2018): Phantom-mobility-based prosthesis control in transhumeral Amputees without surgical Reinnervation – A preliminar study
Pandocare.com – Prosthetic and Orthotic care
Encyclopaedia Britannica – Phantom Limb Syndrome
Brain (2018): Artificial limb representation in amputees
Seminars in Plastic Surgery (2015): Targeted Muscle Reinnervation and advanced prosthetic arms
Materials (2019): Strategies for neural control of prosthetic limbs – from Electrode interfacing to 3D printing.

Note

1Ho scritto questo perché diversi muscoli dell’avambraccio sono in grado di flettere/estendere il polso. Nelle fonti non sono riportati in nomi precisi, come avviene invece negli altri casi.
2L’epinevrio è il rivestimento più esterno di un nervo, costituito soprattutto da tessuto connettivo denso.
3La barriera emato-encefalica serve a proteggere il SNC dall’ingresso di molecole potenzialmente nocive per un tessuto così delicato. È formata da due componenti: le giunzioni strette dell’endotelio dei vasi sanguigni, e i peduncoli degli astrociti, cellule della neuroglia.

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