Questo cervello

Nel 2011 Gert-Jan Oskam ha perso la capacità di camminare. Dodici anni dopo, i neuroscienziati dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), in Svizzera, lo hanno aiutato a rimettersi in piedi.

Oskam, che ha subito una lesione traumatica alla colonna vertebrale cervicale a causa di un incidente in bicicletta, ha ripreso il controllo delle sue gambe con l'aiuto degli scienziati del centro di ricerca NeuroRestore dell'EPFL guidato da Grégoire Courtine, professore di ingegneria delle scienze della vita. Courtine e i suoi collaboratori, che ricercano e sviluppano neurotecnologie per l'assistenza fisica e la riabilitazione, hanno impiantato a Oskam un dispositivo che sostituisce parzialmente le funzioni perdute della sua colonna vertebrale danneggiata.

In un recente articolo pubblicato il 24 maggio su Nature Neuroscience, Courtine e il suo gruppo presentano i dettagli del recupero di Oskam. Lesioni come quelle subite da Oskam sono il risultato di danni al tessuto della colonna vertebrale di una persona, che interrompono la comunicazione neurale dal cervello al resto del corpo. Senza quel collegamento tra il sistema nervoso e quello muscolare, una persona non sarebbe in grado di muoversi come vorrebbe. Nel caso di Oskam, la lesione alla colonna cervicale ha effettivamente disconnesso il cervello dalle gambe, impedendogli di camminare.

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La ricerca di Courtine presenta una soluzione a questo problema sotto forma di un'interfaccia cervello-spina dorsale, o BSI. La BSI funziona in due fasi. Innanzitutto, un'interfaccia cervello-computer misura l'attività neurale dagli elettrodi posizionati sulla superficie del cervello di Oskam. L'attività cerebrale associata al controllo delle gambe, decodificata da un modello di apprendimento automatico addestrato a riconoscerla, viene quindi utilizzata per controllare un set separato di elettrodi impiantati nella colonna vertebrale di Oskam. Questo stimolatore spinale attiva gruppi di neuroni che guidano i movimenti della camminata naturalistica. In altre parole, il BSI colma il divario di comunicazione nel sistema nervoso di Oskam derivante dal suo infortunio, restituendogli la capacità di camminare. Con il nuovo sistema ora può camminare per oltre 200 metri in un giorno e può stare in piedi per 3 minuti senza utilizzare un deambulatore come supporto.

Il team dell’EPFL ha impiantato dispositivi sopra la regione del cervello responsabile del controllo dei movimenti delle gambe, che decodificano i segnali elettrici generati dal cervello quando il paziente pensa a camminare.EPFL

Oskam ha partecipato alla precedente ricerca di questo stesso gruppo sullo sviluppo della tecnologia di stimolazione spinale utilizzata nell'attuale BSI. I dispositivi precedenti erano in grado di ricreare movimenti di camminata naturalistici nelle gambe di Oskam, coordinando la contrazione dei numerosi gruppi muscolari dei suoi fianchi, cosce, polpacci e piedi. Anche se questo movimento sembrava in qualche modo naturale a Oskam, il sistema di controllo del dispositivo originale non lo era: per avviare i movimenti del passo, il sistema controllava le piccole contrazioni che Oskam era ancora in grado di fare attorno al suo fianco destro e poi muoveva le gambe di conseguenza.

Jimmy Ravier/EPFL

L'aggiunta dell'interfaccia cervello-computer per completare il sistema BSI rende i controlli della camminata molto più intuitivi. In una conferenza stampa, Oskam ha commentato il miglioramento affermando che nel vecchio sistema "la stimolazione mi controllava. Ora controllo la stimolazione".

Un altro vantaggio fornito dal BSI è un certo grado di riparazione del tessuto danneggiato nella colonna vertebrale di Oskam. Dopo aver imparato a utilizzare il sistema di stimolazione per un periodo di settimane e mesi, Oskam e i ricercatori hanno scoperto che stava riacquistando la capacità di muovere le gambe senza l'aiuto del dispositivo. Hanno visto questo recupero per la prima volta quando Oskam ha imparato a usare il loro sistema iniziale di stimolazione guidato dall'anca, ma hanno notato una guarigione sostanzialmente maggiore della colonna vertebrale con l'aggiunta del controllo guidato dal cervello.

Questo recupero, secondo il gruppo di ricerca, è guidato dal dispositivo che ristabilisce il comportamento coordinato dei neuroni che trasmettono e leggono dalla sezione danneggiata della colonna vertebrale. Quando i neuroni localizzati prossimalmente si attivano in modo affidabile in tempi simili, il nostro sistema nervoso tende a collegarli. Nel caso di Oskam, il sistema BSI ha stimolato i neuroni nella colonna vertebrale sotto la lesione, ma i neuroni sopra il tessuto danneggiato funzionavano ancora perché sono ancora collegati alle parti del cervello che avviano e controllano il movimento delle gambe. "Non conosciamo il meccanismo dettagliato, ma l'idea generale è che il circuito sensomotorio sia chiuso", afferma Courtine. "Sta cercando di attivare una regione con i suoi percorsi naturali che vengono anche stimolati allo stesso tempo. Questa cooperazione tra i percorsi naturali e digitali sta probabilmente guidando la ricrescita delle proiezioni."