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Gli amputati potranno imparare a controllare con la mente delle braccia robotiche

Gli amputati potranno imparare a controllare con la mente delle braccia robotiche

Nicholas Hatsopoulos, PhD, professore nel dipartimento di Biologia e Anatomia degli Organismi, nel suo laboratorio di Culver Hall, giovedì 12 febbraio 2015, nel campus dell'Università di Chicago. (Foto di Jean Lachat) Credito photo: © The University of Chicago http://www.jeanlachatphotography.com

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Tempo di lettura: 3 minuti

Un nuovo studio presentato da un gruppo di neuroscienziati dell’Università di Chicago dimostra come le persone che hanno subito un’amputazione potranno presto imparare a controllare braccia o gambe robotiche attraverso specifici elettrodi impiantati nel cervello.

I cambiamenti nel cervello di un amputato

La ricerca, pubblicata su Nature Communication, mette in evidenza i cambiamenti che avvengono nel cervello di un amputato sottoposto ad impianto di elettrodi collegati ad un arto robotizzato.

Lo studio ha messo in evidenza come entrambe le aree cerebrali possano creare nuove connessioni anche dopo anni dall’incidente che ha comportato l’amputazione.

Osservati rimodellamenti neuronali

Si sono infatti osservati rimodellamenti neuronali sia sul lato del cervello deputato a controllare l’arto robotico, sia su quello usato per controllare l’arto normale.

Le considerazioni

“È questo l’aspetto innovativo dello studio che ha così mostrato come chi ha subito un’amputazione da molto tempo può imparare a controllare un arto robotico spiega Nicho Hatsopoulos, professore di biologia degli organismi ed anatomia presso l’Università di Chicago e autore dello studio.

I precedenti esperimenti si erano concentrati su pazienti paralizzati e avevano dimostrato come  fosse possibile, attraverso specifiche interfacce macchina-cervello, aiutarli a muovere arti robotici.

Lo studio attuale

Questo recente studio invece è uno dei primi nel quale sono stati testati questi device anche sugli amputati.

Va chiarito che il lavoro è stato realizzato su scimmie, nello specifico tre esemplari di scimmie rhesus che avevano subito ferite in giovane età e a seguito delle quali, per salvarle, gli erano stati amputati degli arti 4, 9 e 10 anni fa rispettivamente. Il gruppo di ricerca ci tiene a specificare come gli arti non sono quindi stati amputati appositamente per lo studio. In due di questi animali i ricercatori hanno impiantato una serie di elettrodi nel lato del cervello opposto, o controlaterale, a quello dell’arto amputato. Questo infatti è il lato usato per controllare l’arto amputato. Nel terzo caso gli elettrodi sono stati impiantati sullo stesso lato, o ipsilaterale, dell’arto amputato. Questo è il lato che controlla l’arto sano.

Le scimmie quindi sono state allenate a muovere gli arti robotici ed afferrare una palla usando solo il controllo con il pensiero. Gli scienziati hanno monitorato e registrato l’attività dei neuroni laddove erano impiantati gli elettrodi. I dati sono quindi stati elaborati con modelli statistici per calcolare come i neuroni erano connessi tra loro prima dell’esperimento, durante la fase di allenamento e una volta che le scimmie avevano imparato a comandare l’arto robotico.

I risultati 

I risultati sono stati molto interessanti per entrambi i lati del cervello: sul lato del cervello che controlla l’arto amputato si è passati da segnali neuronali scoordinati tra loro a connessioni sempre più dense e robuste, sul lato che controlla l’arto sano invece il fenomeno è stato ancora più interessante perché si è assistito ad una prima riduzione delle connessioni con la formazione di network più sottili per poi rimodellarsi su nuove connessioni più dense.

“Ciò significa che le connessioni precedenti sono state eliminate mentre l’animale stava cercando di imparare un nuovo compito ha spiegato Karthikeyan Balasubramanian, uno dei ricercatori coinvolti nello studio, “dopo qualche giorno è ricominciata la costruzione di nuovi network che potevano controllare sia il lato dell’arti intatto che quello neuro prostetico”.

Nel futuro

Ora il team progetta di continuare il proprio lavoro combinandolo con la ricerca di altri gruppi per dotare gli arti neuroprostetici di feedback sensoriali sul tatto e la propriocezione, che è il senso di dove l’arto si trova nello spazio.

“È così che possiamo iniziare a creare delle membra neuroprostetiche veramente reattive e ottenere sensazioni naturali attraverso l’interfaccia della macchina del cervello conclude Hatsopoulos.

Il punto dell’esperto

Prof. Fabrizio Taffoni, PhD

Ricercatore presso il Laboratorio di Robotica Biomedica e Biomicrosistemi

Università Campus Bio-Medico

Si tratta di un tema di ricerca di frontiera che mira a spostare in avanti gli attuali confini della conoscenza scientifica grazie anche alle possibilità offerte dalla tecnologia. Le scienze dei materiali stanno permettendo di sviluppare elettrodi inerti ben tollerati dall’organismo che riducono sempre di più i problemi di formazione di tessuto fibroso, in passato causa principe del deterioramento delle proprietà elettriche di questi dispositivi. Dal lato computazionale, la possibilità di avere potenza di calcolo miniaturizzata e algoritmi che rendono sempre più efficace il riconoscimento e la classificazione delle intenzioni motorie del soggetto hanno ampliato di molto le possibilità applicative delle interfacce uomo-cervello (brain-computer interface).

Sul fronte protesico la sfida è quella di costruire dispositivi in grado di replicare con sempre maggiore fedeltà le funzioni e le performance dell’arto umano, garantendo elevati livelli di efficienza energetica. L’obiettivo finale sarà quello di realizzare una protesi artificiale completamente autonoma che, una volta impiantata, possa essere controllata direttamente dal cervello umano e derivi l’energia necessaria al suo funzionamento direttamente dal paziente, sfruttandone l’energia di movimento (attraverso il principio dell’energy harvesting), oppure utilizzando fonti di energia elettrica che siano biocompatibili, meccanicamente flessibili e in grado di utilizzare l’energia chimica disponibile all’interno del sistema biologico. Vanno in questa direzione le ricerche compiute da un gruppo congiunto dell’università di Friburgo e dell’università del Michigan che hanno sviluppato un tessuto biocompatibile ispirato alle anguille elettriche e realizzato attraverso idrogel impilati, in grado di sviluppare fino a 110 V a circuito aperto e 27 mW per metro quadro di gel.

Fonti:

https://sciencelife.uchospitals.edu/2017/11/27/amputees-can-learn-to-control-a-robotic-arm-with-their-minds/

https://www.nature.com/articles/s41467-017-01909-2

https://www.nature.com/articles/nature24670

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