Un essere umano con una lesione del midollo spinale può camminare e correre? Alla scoperta di indizi per risolvere le sfide della scienza con la tecnologia neuromorfica
Un gruppo di ricerca internazionale guidato dal Prof. Tae-Woo Lee (Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Università Nazionale di Seoul, Repubblica di Corea) e dal Prof. Zhenan Bao (Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università di Stanford, USA) è riuscito a recuperare i movimenti muscolari in un modello di topi paralizzati attraverso nervi artificiali organici. Il risultato è stato pubblicato sulla rivista internazionale di fama mondiale ‘ Nature Biomedical Engineering ‘ il 16/08.
I nervi, che sono essenziali per le attività della vita e hanno un impatto significativo sulla qualità della vita, sono facilmente danneggiati da varie cause come lesioni fisiche, cause genetiche, complicazioni secondarie e invecchiamento. Inoltre, poiché una volta che i nervi sono danneggiati è difficile da ricostruire, alcune o tutte le loro funzioni corporee vengono perse definitivamente a causa della scarsa bio-segnalazione. La storia dolorosa della lesione del midollo spinale di una celebrità viene talvolta raccontata dai media. La sfida medica del danno ai nervi, che è stata vissuta con la nascita dell’umanità, è rimasta una sfida scientifica nonostante lo sviluppo della medicina e della biologia drastiche e non sembra esserci alcun indizio importante per il futuro. Sono stati fatti vari tentativi per trattare i nervi danneggiati, compresi metodi chirurgici e farmaci,
Tra i vari metodi di riabilitazione in pazienti con danno neurologico, la stimolazione elettrica funzionale (FES), attualmente attivamente utilizzata nella pratica clinica, utilizza segnali controllati dal computer. Attraverso questo, la stimolazione elettrica viene applicata ai muscoli che non sono più arbitrariamente controllabili nei pazienti con neuropatia per indurre la contrazione muscolare, risultando in movimenti funzionalmente utili nel corpo biologico anche se sono confinati in uno spazio specifico. Tuttavia, questi approcci convenzionali hanno limitazioni che i pazienti non sono adatti per un uso a lungo termine nella loro vita quotidiana perché coinvolgono circuiti digitali complessi e computer per l’elaborazione del segnale per stimolare i muscoli, consumando molta energia e scarsa biocompatibilità nel processo.
Per risolvere il problema, il team di ricerca è riuscito a controllare il movimento delle gambe dei topi solo con nervi artificiali senza un computer esterno complesso e ingombrante, utilizzando un dispositivo neurormorfico a nanofili organici estensibile a bassa potenza che emula la struttura e la funzione delle fibre nervose biologiche. Il nervo artificiale estensibile è costituito da un sensore di deformazione che simula un propriocettore che rileva i movimenti muscolari, una sinapsi artificiale organica che simula una sinapsi biologica e un elettrodo idrogel per trasmettere segnali ai muscoli delle gambe.
I ricercatori hanno regolato il movimento delle zampe del topo e la forza di contrazione dei muscoli in base alla frequenza di attivazione del potenziale d’azione trasmesso alla sinapsi artificiale con un principio simile a quello del nervo biologico, e la sinapsi artificiale implementa più fluidi e naturali movimenti delle gambe rispetto al solito FES.
Inoltre, il propriocettore artificiale rileva il movimento della gamba del mouse e fornisce un feedback in tempo reale alla sinapsi artificiale per prevenire danni muscolari dovuti al movimento eccessivo delle gambe.
I ricercatori sono riusciti a un topo paralizzato a calciare la palla o camminare e correre sul tapis roulant. Inoltre, il team di ricerca ha mostrato l’applicabilità dei nervi artificiali in futuro per il movimento volontario campionando segnali preregistrati dalla corteccia motoria di animali in movimento e spostando le gambe dei topi attraverso sinapsi artificiali.
I ricercatori hanno scoperto una nuova fattibilità applicativa nel campo della tecnologia neuromorfica, che sta attirando l’attenzione come dispositivo informatico di prossima generazione emulando il comportamento di una rete neurale biologica. I ricercatori hanno dimostrato che il campo neuromorfico sarà utilizzato non solo nell’informatica ma in vari campi come l’ingegneria biomedica e la biotecnologia.
Il Prof. Tae-Woo Lee ha affermato: “Il danno neurale è ancora considerato una grande sfida scientifica dal passato al presente nonostante i notevoli progressi della medicina e, senza una nuova svolta, rimarrà ancora un problema difficile da risolvere nel futuro. Questa ricerca fornisce una nuova svolta nel superare i danni ai nervi in modo ingegneristico utilizzando la tecnologia neuromorfica, non in modo biomedico”, esprimendo il significato dello studio. Ha anche aggiunto: “Un approccio ingegneristico per superare i danni ai nervi aprirà un nuovo percorso per migliorare la qualità della vita di coloro che soffrono di malattie e disturbi correlati”.
Il Prof. Zhenan Bao, ha notato il potenziale dello studio, affermando: “Attraverso lo sviluppo di nervi artificiali estensibili per pazienti con danni ai nervi, ha fornito una pietra miliare per protesi neurali indossabili adatte al paziente, più praticamente utilizzabili, lontano dalla forma esistente fattore.” Attraverso questo, ha sollevato aspettative che “La tecnologia sorgente del nervo artificiale estensibile può essere applicata a varie tecnologie indossabili mediche”.
In futuro, il team di ricerca ha mostrato la volontà di condurre continuamente lo studio per applicazioni cliniche oltre ai primati e ai roditori come i topi. In questo modo, sembra possibile presentare nuove soluzioni e strategie per i danni ai nervi negli esseri umani come lesioni del midollo spinale, danni ai nervi periferici e danni neurologici come Lou Gehrig, Parkinson e Huntington.
