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- Il “braccio” controllato dalla mente può muovere singole dita. – Click to Tweet
- Protesi controllate dalla mente leggermente più vicine a permettere di suonare il pianoforte. – Click to Tweet
Fisici e ingegneri biomedici della Johns Hopkins riportano quello che credono sia il primo sforzo riuscito per muovere le dita individualmente e indipendentemente l’una dall’altra usando un “braccio” artificiale controllato dalla mente per controllare il movimento.
L’impresa proof-of-concept, descritta online questa settimana nel Journal of Neural Engineering, rappresenta un potenziale progresso nelle tecnologie per ripristinare la funzione della mano raffinata a coloro che hanno perso le braccia per lesioni o malattie, dicono i ricercatori. Il giovane su cui è stato eseguito l’esperimento non mancava un braccio o una mano, ma è stato dotato di un dispositivo che essenzialmente ha approfittato di una procedura di mappatura del cervello per bypassare il controllo del proprio braccio e della mano.
“Crediamo che questa sia la prima volta che una persona che utilizza una protesi controllata dalla mente ha immediatamente eseguito movimenti individuali delle dita senza un ampio allenamento”, dice l’autore senior Nathan Crone, M.D., professore di neurologia presso la Johns Hopkins University School of Medicine. “Questa tecnologia va oltre le protesi disponibili, in cui le dita artificiali, o dita, si muovevano come una singola unità per fare un movimento di presa, come quello usato per afferrare una palla da tennis.
Per l’esperimento, il team di ricerca ha reclutato un giovane uomo con epilessia già programmato per sottoporsi alla mappatura del cervello per individuare l’origine delle sue crisi.
Mentre le registrazioni cerebrali sono state effettuate utilizzando elettrodi impiantati chirurgicamente per motivi clinici, i segnali controllano anche un arto protesico modulare sviluppato dal Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory.
Prima di collegare la protesi, i ricercatori hanno mappato e tracciato le parti specifiche del cervello del soggetto responsabili del movimento di ogni dito, poi hanno programmato la protesi per muovere il dito corrispondente.
Prima, il neurochirurgo del paziente ha posizionato una serie di 128 sensori di elettrodi – tutti su un singolo foglio rettangolare di pellicola delle dimensioni di una carta di credito – sulla parte del cervello dell’uomo che normalmente controlla i movimenti di mani e braccia. Ogni sensore misurava un cerchio di tessuto cerebrale di 1 millimetro di diametro.
Il programma per computer che il team della Johns Hopkins ha sviluppato ha fatto muovere le singole dita dell’uomo a comando e ha registrato quali parti del cervello si sono “accese” quando ogni sensore ha rilevato un segnale elettrico.
Oltre a raccogliere dati sulle parti del cervello coinvolte nel movimento motorio, i ricercatori hanno misurato l’attività elettrica del cervello coinvolto nella sensazione tattile. Per fare questo, il soggetto è stato dotato di un guanto con piccoli buzzer vibranti nella punta delle dita, che si è spento individualmente in ogni dito. I ricercatori hanno misurato l’attività elettrica risultante nel cervello per ogni connessione delle dita.
Dopo aver raccolto i dati motori e sensoriali, i ricercatori hanno programmato il braccio protesico per muovere le dita corrispondenti in base a quale parte del cervello era attiva. I ricercatori hanno acceso il braccio protesico, che era collegato al paziente attraverso gli elettrodi cerebrali, e hanno chiesto al soggetto di “pensare” di muovere individualmente pollice, indice, medio, anello e mignolo. L’attività elettrica generata nel cervello ha spostato le dita.
“Gli elettrodi utilizzati per misurare l’attività cerebrale in questo studio ci hanno dato una migliore risoluzione di una grande regione della corteccia rispetto a qualsiasi cosa abbiamo usato prima e ha permesso una mappatura spaziale più precisa nel cervello,” dice Guy Hotson, studente laureato e autore principale dello studio. “Questa precisione è ciò che ci ha permesso di separare il controllo delle singole dita.”
Inizialmente, l’arto controllato dalla mente aveva una precisione del 76%. Una volta che i ricercatori hanno accoppiato l’anello e il mignolo insieme, la precisione è aumentata all’88 per cento.
“La parte del cervello che controlla il mignolo e l’anello si sovrappone, e la maggior parte delle persone muove le due dita insieme”, dice Crone. “Ha senso che l’accoppiamento di queste due dita ha migliorato la precisione.”
I ricercatori notano che non c’era nessun pre-addestramento richiesto per il soggetto per ottenere questo livello di controllo, e l’intero esperimento ha preso meno di due ore.
Crone avverte che l’applicazione di questa tecnologia a quelli effettivamente mancanti arti è ancora alcuni anni fuori e sarà costoso, richiedendo ampia mappatura e programmazione del computer. Secondo la Amputee Coalition, oltre 100.000 persone che vivono negli Stati Uniti hanno mani o braccia amputate, e la maggior parte potrebbe potenzialmente beneficiare di tale tecnologia.
Altri autori dello studio sono David McMullen, Matthew Fifer, William Anderson e Nitish Thakor della Johns Hopkins Medicine e Matthew Johannes, Kapil Katyal, Matthew Para, Robert Armiger e Brock Wester del Johns Hopkins Applied Physics Laboratory.
Questo studio è stato finanziato dal National Institute of Neurological Disorders and Stroke (sovvenzione numero 1R01NS088606-01).