Per le persone con paralisi o amputazione, i sistemi neuroprotesici che stimolano artificialmente la contrazione dei muscoli con la corrente elettrica possono aiutarli a ritrovare la funzionalità degli arti. Tuttavia, nonostante molti anni di ricerca, questo tipo di protesi non è ampiamente utilizzata perché porta ad un rapido affaticamento muscolare e ad uno scarso controllo.
La nuova ricerca del MIT
I ricercatori del MIT hanno sviluppato un nuovo approccio che sperano possa un giorno offrire un migliore controllo muscolare con meno affaticamento. Invece di usare l’elettricità per stimolare i muscoli, usavano la luce. In uno studio sui topi, i ricercatori hanno dimostrato che questa tecnica optogenetica offre un controllo muscolare più preciso, insieme a una drastica diminuzione dell’affaticamento.
“Si scopre che utilizzando la luce, attraverso l’optogenetica, è possibile controllare i muscoli in modo più naturale. In termini di applicazione clinica, questo tipo di interfaccia potrebbe avere un’utilità molto ampia“, afferma Hugh Herr, professore di arti e scienze dei media, condirettore del Centro K. Lisa Yang per la bionica del MIT e membro associato del MIT. Istituto McGovern per la ricerca sul cervello.
Cos’è l’optogenetica?
L’optogenetica è un metodo basato sull’ingegneria genetica delle cellule per esprimere proteine sensibili alla luce, che consente ai ricercatori di controllare l’attività di tali cellule esponendole alla luce. Questo approccio non è attualmente fattibile negli esseri umani, ma Herr, Guillermo Herrera-Arcos, studente laureato del MIT, e i loro colleghi del K. Lisa Yang Center for Bionics stanno ora lavorando su come fornire proteine sensibili alla luce in modo sicuro ed efficace nei tessuti umani.
Controllo optogenetico
Per decenni, i ricercatori hanno esplorato l’uso della stimolazione elettrica funzionale (FES) per controllare i muscoli del corpo. Questo metodo prevede l’impianto di elettrodi che stimolano le fibre nervose, provocando la contrazione del muscolo. Tuttavia, questa stimolazione tende ad attivare l’intero muscolo in una volta, il che non è il modo in cui il corpo umano controlla naturalmente la contrazione muscolare.
“Gli esseri umani hanno questa incredibile fedeltà di controllo che si ottiene tramite un reclutamento naturale del muscolo, dove vengono reclutate unità motorie piccole, poi di dimensioni moderate, poi unità motorie grandi, in quest’ordine, man mano che la forza del segnale aumenta“, dice Herr. “Con la FES, quando si fa esplodere artificialmente il muscolo con l’elettricità, le unità più grandi vengono reclutate per prime. Quindi, quando aumenti il segnale, all’inizio non ottieni alcuna forza, e poi all’improvviso ne ottieni troppa”.
Questa grande forza non solo rende più difficile ottenere un controllo muscolare preciso, ma consuma anche il muscolo rapidamente, entro cinque o dieci minuti.
Controllare i muscoli con la luce
Il team del MIT voleva vedere se era possibile sostituire l’intera interfaccia con qualcosa di diverso. Invece degli elettrodi, hanno deciso di provare a controllare la contrazione muscolare utilizzando macchine ottico-molecolari tramite optogenetica.
Utilizzando i topi come modello animale, i ricercatori hanno confrontato la quantità di forza muscolare che potevano generare utilizzando il tradizionale approccio FES con le forze generate dal loro metodo optogenetico. Per gli studi optogenetici, hanno utilizzato topi che erano già stati geneticamente modificati per esprimere una proteina sensibile alla luce chiamata channelrhodopsin-2. Hanno impiantato una piccola fonte di luce vicino al nervo tibiale, che controlla i muscoli della parte inferiore della gamba.
I ricercatori hanno misurato la forza muscolare man mano che aumentavano gradualmente la quantità di stimolazione luminosa e hanno scoperto che, a differenza della stimolazione FES, il controllo optogenetico produceva un aumento costante e graduale della contrazione del muscolo.
“Mentre modifichiamo la stimolazione ottica che forniamo al nervo, possiamo controllare proporzionalmente, in modo quasi lineare, la forza del muscolo. Questo è simile al modo in cui i segnali del nostro cervello controllano i nostri muscoli. Per questo motivo diventa più facile controllare il muscolo rispetto alla stimolazione elettrica”, afferma Herrera-Arcos.
Resistenza alla fatica
Utilizzando i dati di questi esperimenti, i ricercatori hanno creato un modello matematico di controllo muscolare optogenetico. Questo modello mette in relazione la quantità di luce che entra nel sistema con l’uscita del muscolo (quanta forza viene generata).
Questo modello matematico ha permesso ai ricercatori di progettare un controller a circuito chiuso. In questo tipo di sistema, il controller invia un segnale di stimolazione e, dopo che il muscolo si è contratto, un sensore può rilevare quanta forza sta esercitando il muscolo. Queste informazioni vengono rimandate al controller, che calcola se e quanto la stimolazione luminosa deve essere regolata per raggiungere la forza desiderata.
Muscoli inarrestabili
Utilizzando questo tipo di controllo, i ricercatori hanno scoperto che i muscoli potevano essere stimolati per più di un’ora prima di affaticarsi, mentre i muscoli si affaticavano dopo soli 15 minuti utilizzando la stimolazione FES.
Un ostacolo che i ricercatori stanno ora lavorando per superare è come fornire in modo sicuro proteine sensibili alla luce nei tessuti umani. Diversi anni fa, il laboratorio di Herr ha riferito che nei ratti queste proteine possono innescare una risposta immunitaria che inattiva le proteine e potrebbe anche portare all’atrofia muscolare e alla morte cellulare.
“Un obiettivo chiave del Centro K. Lisa Yang per la Bionica è risolvere questo problema“, afferma Herr. “È in corso uno sforzo su più fronti per progettare nuove proteine sensibili alla luce e strategie per fornirle, senza innescare una risposta immunitaria”.
Come ulteriore passo avanti verso i pazienti umani, il laboratorio di Herr sta anche lavorando su nuovi sensori che possono essere utilizzati per misurare la forza e la lunghezza dei muscoli, nonché su nuovi modi per impiantare la sorgente luminosa. In caso di successo, i ricercatori sperano che la loro strategia possa portare benefici alle persone che hanno subito ictus, amputazione degli arti e lesioni del midollo spinale, così come ad altri che hanno ridotta capacità di controllare i propri arti.
“Ciò potrebbe portare a una strategia minimamente invasiva che cambierebbe le regole del gioco in termini di assistenza clinica per le persone affette da patologie degli arti“, afferma Herr.
