La protesi neurale che potrebbe rivoluzionare le neuroscienze

APERTURA © EPFL 2015

© EPFL 2015

e-Dura è progettato specificamente per l’impianto sulla superficie del cervello o del midollo spinale. Il dispositivo imita le proprietà meccaniche del tessuto vivente, può fornire simultaneamente impulsi elettrici e sostanze farmacologiche.
Presso il Laboratorio di Ingegneria Neurale del Politecnico Federale di Losanna è stato sviluppato e testato un impianto neurale per applicazioni a lungo termine, che ha consentito a ratti paralizzati da lesioni spinali di recuperare l’attività motoria. Il prossimo passo sarà renderlo fruibile per l’uomo. L’applicazione di questi impianti di superficie è enorme, per esempio l’epilessia, il morbo di Parkinson e la gestione del dolore. Ne parliamo con il dottor Marco Capogrosso, coinvolto nello sviluppo dell’impianto.

Può farci un breve resoconto della sua attività scientifica?
Subito dopo la laurea in Fisica Applicata presso l’università di Pisa, e una tesi all’Istituto di Fisiologia Clinica del CNR con il prof. Michele Emdin e il dott. Nicola Vanello, ho svolto un dottorato di ricerca all’istituto di Biorobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, presso il laboratorio del Prof. Silvestro Micera dal 2009 al 2013. I miei studi riguardavano lo sviluppo di modelli computazionali per lo studio delle interazioni tra il sistema nervoso e le interfacce neurali. Ho lavorato sulle interfacce con il sistema periferico e in particolare sulla restituzione del tatto in soggetti che hanno ricevuto delle amputazioni dell’arto superiore, e sulle interfacce spinali per la riabilitazione del cammino dopo una lesione del midollo spinale. È in questo contesto che sono venuto a contatto, tramite progetti di cooperazione europei, con il laboratorio del prof. Gregoire Courtine a EPFL. Successivamente il prof. Micera mi ha proposto di raggiungerlo nella nuova sede del suo laboratorio proprio a Losanna, in modo da poter lavorare con lui e il prof. Courtine allo sviluppo di nuove interfacce per il midollo spinale. Quindi dal 2012 lavoro prevalentemente a questi progetti facendo da punto di contatto tra il mondo delle neuroscienze e quello dell’ingegneria.

Ci può raccontare la genesi e lo sviluppo del progetto che ha portato all’implementazione di e-dura?
E-dura fa parte di un progetto molto più ampio, che è quello di portare a fruizione clinica le tecnologie che sono state sviluppate in questi anni per ripristinare le funzioni del sistema nervoso in caso di lesioni traumatiche o particolari malattie. In particolare è stato dimostrato da gruppi come quello del prof. Reggie Edgerton a UCLA, e del prof. Courtine, che è possibile ripristinare funzioni motorie in animali completamente paralizzati attraverso la stimolazione elettrica e farmacologica del midollo spinale. Per portare queste tecnologie all’uomo, tuttavia, è necessario un team altamente multidisciplinare. Le problematiche spaziano, infatti, da quelle di tipo tecnologico, a quelle mediche e scientifiche. Per questo EPFL costituisce un ottimo esempio, nel nuovo centro di neuroprotesi, il nostro laboratorio (Translational Neural engineering, del prof. Silvestro Micera), collabora intensamente con quello del prof. Gregoire Courtine e della prof.ssa Stephanie Lacour. Combinando competenze di control-engineering, fisica dell’interazione tra campi elettrici e sistema nervoso, biologia, neuroscienze e scienze dei materiali. L’obiettivo finale è quello di generare nuove soluzioni per la stimolazione del midollo spinale che siano, efficaci, durabili nel tempo e biocompatibili.

Marco Capogrosso.

Marco Capogrosso.

In che cosa consiste e-dura e come funziona?
E-dura, costituisce un passo fondamentale verso la realizzazione del nostro obiettivo, in quanto risponde all’esigenza tecnologica di avere un interfaccia con il sistema nervoso, che sia allo stesso tempo, biocompatibile, efficace dal punto di vista della stimolazione elettrica e farmacologica e che duri nel tempo. Il problema principale consiste nel fatto che, quando si cerca di inserire dell’elettronica all’interno del corpo umano, specialmente all’interno delle strutture nervose, ci si confronta con il fatto che la consistenza dei tessuti è di ordine di grandezza inferiore rispetto a quella degli apparati elettronici. Questo provoca allo stesso tempo il danneggiamento dei tessuti stessi e, con il passare del tempo, anche il danneggiamento degli stessi apparati elettronici, riconosciuti come estranei dal corpo. Tutto ciò limita, se non impedisce del tutto, l’utilizzo di pratiche che in teoria potrebbero rispondere a importanti esigenze cliniche. E-dura è invece progettato per avere una consistenza quanto più vicina possibile a quella della «dura mater» che è una membrana che ricopre sia il midollo spinale che il cervello. In questo modo può entrare in stretto contatto con i tessuti nervosi senza danneggiarli e al contempo essendo in grado di trasportare correnti elettriche e perfino farmaci.

Quali sono le sue applicazioni? Quali sono le problematiche dell’impianto sull’essere umano?
Le applicazioni potranno essere di diverso tipo, vanno dalla stimolazione elettrica del sistema nervoso alla registrazione dell’attività neurale. E-dura è stata sviluppata soprattutto per la stimolazione del sistema nervoso centrale e in particolare del midollo spinale. Con questa tecnologia si potrebbe essere in grado di costruire interfacce che incrementino la specificità della stimolazione elettrica e farmacologica, necessarie alla riabilitazione del cammino in soggetti paralizzati. Le attuali tecnologie di uso medico, non sono infatti in grado di rispondere alle esigenze teoriche che abbiamo studiato e riportato in numerose pubblicazioni sugli animali. Per poter portare su uomo, quello che abbiamo fatto con gli animali, era necessario infatti superare le attuali tecnologie di costruzione di elettrodi neurali. E-dura ci fornisce il mezzo tecnologico attraverso il quale realizzare la nuova generazione di interfacce elettroniche con il sistema nervoso.
In aggiunta, il principale materiale di cui è costituito e-dura è il silicone, dunque non vi sono particolari controindicazioni per l’uso umano essendo che questo materiale è già largamente utilizzato in medicina. La vera domanda è: saremo in grado di ripristinare, con particolari protocolli di stimolazione elettrica e strategie di controllo in closed-loop, le funzionalità del midollo spinale a seguito di una lesione sull’uomo? Siamo stati in grado di farlo sugli animali, con questa tecnologia. Dunque le premesse ci sono tutte, o almeno, ora abbiamo i mezzi per provarci.

edura4_1© EPFL 2015

© EPFL 2015

Quali sono gli sviluppi futuri del progetto?
Ora che abbiamo la tecnologia per costruire interfacce durevoli e biocompatibili, lavoreremo sull’ottimizzazione dei protocolli di stimolazione nervosa e sull’unione cervello-midollo spinale, per creare un ponte che scavalchi la lesione e ricreare un collegamento artificiale, o piuttosto per amplificare ciò che rimane intatto in questo tipo di lesioni. Le lesioni sull’uomo, infatti, non sono mai complete, e il cervello è ancora in grado di trasmettere alcune, seppur incomplete informazioni aldilà di una lesione spinale. Infatti il Prof. Courtine e il prof. Micera hanno pubblicato un articolo su Science nel 2012, dimostrando che ratti con lesioni incomplete, possono recuperare un controllo volontario delle proprie gambe, grazie alla stimolazione elettrica che, per semplificare molto, fungerebbe da «amplificatore». Mentre il gruppo del prof. Edgerton a UCLA ha dimostrato che questo meccanismo, sebbene applicato con semplicissimi protocolli di stimolazione, è in grado di far recuperare alcuni movimenti volontari delle gambe anche sugli esseri umani. Dobbiamo dunque andare in questa direzione, per riuscire a ripristinare completamente le funzioni motorie su soggetti oggi paralizzati.

Translational Neural Engineering Lab
La missione del laboratorio Translational Neural Engineering (TNE) è quella di sviluppare interfacce neurali impiantabili e sistemi robotici per ripristinare le funzioni sensomotorie in persone con diversi tipi di disabilità (lesioni del midollo spinale, ictus, amputazione, ecc.). In particolare, lo scopo del laboratorio TNE è quello di essere un ponte tecnologico tra scienza di base e l’ambiente clinico. Pertanto, le nuove tecnologie e gli approcci sono progettati e sviluppati, anche partendo da conoscenze scientifiche di base nel campo delle neuroscienze, neurologia e geriatria, con l’idea che una loro migliore comprensione significa un migliore sviluppo di soluzioni cliniche.

Impianti neurali
Le attuali tecnologie di impianti neurali per il sistema nervoso centrale, e in particolare per il midollo spinale non sono in grado di soddisfare le esigenze delle più moderne tecniche di stimolazione nervosa. In particolare, non è possibile costruire impianti che siano al contempo efficaci e che possano essere impiantati a lungo termine nel sistema nervoso. Questi dispositivi, essendo rigidi, provocano l’infiammazione, la formazione di tessuti cicatriziale e il conseguente rigetto dell’impianto. Quello sviluppato a EPFL, in una collaborazione di cui fa parte il TNE è disposto sotto la dura madre, direttamente sul midollo spinale. La sua elasticità e il suo potenziale di deformazione sono quasi identici ai tessuti che lo circondano, ciò riduce l’attrito e quindi l’infiammazione al minimo.

 

di M. Colombini

 

Informazioni sull'autore
Condividi quest’articolo
Invia il tuo commento

Per favore inserisci il tuo nome

Inserisci il tuo nome

Per favore inserisci un indirizzo e-mail valido

Inserisci un indirizzo e-mail

Per favore inserisci il tuo messaggio

Laboratorio © 2017 Tutti i diritti riservati