Robot indossabile entro il campionato del mondo di calcio del 2014
DIANE RICHMOND
NOTE
E NOTIZIE - Anno X - 14 gennaio 2012.
Testi pubblicati sul sito
www.brainmindlife.org della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind
& Life - Italia” (BM&L-Italia). Oltre a notizie o commenti relativi a
fatti ed eventi rilevanti per la Società, la sezione “note e notizie” presenta
settimanalmente lavori neuroscientifici selezionati fra quelli pubblicati o in
corso di pubblicazione sulle maggiori riviste e il cui argomento rientra negli
oggetti di studio dei soci componenti lo staff
dei recensori della Commissione
Scientifica della Società.
[Tipologia del testo:
RESOCONTO DI UNA CONFERENZA]
La
Società Nazionale di Neuroscienze “BM&L” segue da tempo la ricerca
finalizzata allo sviluppo di dispositivi di alta tecnologia, quali i microchips per impianto corticale e le protesi
robotiche che consentono di vicariare le funzioni neuromotorie compromesse per
danno neurologico, ed ha proposto, in varie occasioni di incontro dei
ricercatori con medici neurologi e riabilitatori, i temi e i problemi di questo
ambito di studi. I risultati positivi, così come le battute di arresto in
questo difficile cammino, mostrano quanto siano intimamente connessi il
progredire delle conoscenze neuroscientifiche e lo sviluppo di nuovi strumenti
che consentano di avvicinarsi sempre più all’obiettivo ideale del completo
recupero delle funzioni perdute. Il versante della ricerca che studia i sistemi
di integrazione somatosensoriale alla base del movimento, tende a definire il
modo in cui le unità necessarie e sufficienti all’elaborazione in entrata e in
uscita si possono collegare con dispositivi artificiali per la percezione e
l’esecuzione di atti motori.
I
recenti progressi compiuti in questo ambito hanno costituito il tema di una conferenza
tenutasi a Roma il 7 gennaio 2012, durante la quale sono intervenuti, oltre al
presidente della Società, numerosi soci che seguono l’evoluzione del campo
mediante gruppi di studio che organizzano un lavoro di costante aggiornamento.
Una
posto privilegiato, nelle relazioni e nelle discussioni, è stato riservato ai
risultati ottenuti di recente dal team
di Miguel Nicolelis, professore di neurobiologia del Duke University Medical
Center, il quale ha presentato la prima dimostrazione della capacità del
cervello di primati di muovere un corpo virtuale e di elaborarne le
informazioni sensoriali.
È
nozione di neurofisiologia classica che gli impulsi in uscita per il movimento
dei vari segmenti corporei, inviati dalla corteccia motoria al tronco
encefalico e al midollo spinale attraverso i fasci cortico-spinali, e gli
impulsi in entrata alla corteccia somatosensoriale, provenienti dai recettori
cutanei e muscolo-tendinei attraverso la via spino-bulbo-talamo-corticale, sono
pressoché simultanei e costituiscono la base informativa per l’elaborazione
istante per istante delle informazioni necessarie alla postura e al movimento
in tutte le sue espressioni. Mentre agiscono queste due principali vie
somatomotoria e somatosensitiva, e i circuiti riverberanti dei nuclei della
base encefalica con la corteccia forniscono informazioni sui caratteri del
movimento e sul piano motorio, i fasci spino-vestibolare e spino-cerebellare
forniscono dati che consentiranno l’ottimizzazione dell’esecuzione in funzione,
rispettivamente, dell’equilibrio e della coordinazione. Un insieme complesso di
sistemi a retroazione consente all’encefalo umano di regolare e calibrare
forza, escursione, intensità e durata dell’insieme dei movimenti automatici ed
intenzionali alla base della nostra vita quotidiana. Pertanto, le informazioni
sensitive provenienti dalla pianta dei piedi e da tutte le parti sotto carico
dei nostri arti inferiori, hanno un’importanza cruciale per l’esecuzione di
movimenti corretti, efficaci, equilibrati ed armonici durante la marcia, la
corsa e il salto. Allo stesso modo, si comprende l’importanza della
propriocezione, che ci consente di stimare il peso di un oggetto che afferriamo
e solleviamo, per esercitare un movimento adeguato per forza ed escursione. A
questo proposito, possiamo ricordare l’importanza dell’integrazione corticale
dei dati provenienti dalle varie modalità sensoriali: la vista di una bottiglia
ci consente, in genere, di sapere a colpo d’occhio se è piena o vuota, e
conseguentemente di esercitare la forza appropriata per prenderla; è
un’operazione automatica che compiamo spesso senza smettere di conversare o
pensando ad altro, ma ci accorgiamo della sua importanza quando per errore
stimiamo piena una bottiglia vuota e, dopo la presa, il movimento per
sollevarla appare come un brusco strappo.
Questi
brevi riferimenti a nozioni elementari di neurofisiologia del movimento ci
ricordano l’importanza dell’integrazione somatomotoria basata su sintesi
funzionali costantemente aggiornate rispetto agli impulsi sensitivi in entrata
e allo stato dei segmenti corporei che eseguono il movimento. È facile
comprendere come la rottura degli equilibri che regolano questo interscambio,
conseguente ad una paralisi, costituisca un problema ritenuto fino a non molto
tempo fa insormontabile.
Come
hanno ricordato vari relatori, il neuroscienziato Andrew Schwartz con
collaboratori dell’Università di Pittsburgh, sta reclutando persone affette da
infermità motoria dovuta a lesioni del midollo spinale (paraplegici,
quadriplegici, ecc.) per selezionare pazienti sui quali sperimentare un sistema
che consente l’invio alla corteccia cerebrale di stimoli di percezione
ambientale generati da un arto artificiale. Il campione di dimensioni limitate
sul quale la sperimentazione è stata già effettuata, è costituito da volontari
collegati ad un arto robotico che invia al loro cervello informazioni tattili e
propriocettive mediante elettrodi posti in corrispondenza della corteccia
somatosensoriale. La sperimentazione è ancora in corso. I limiti imposti
dall’etica della ricerca su esseri umani, per studi come quello di Schwartz,
rendono ancora più importante il lavoro che si sta conducendo su primati
non-umani.
Ricordiamo
che già nel 2000 Nicolelis aveva collegato mediante elettrodi l’attività
psichica di una scimmia con un arto robotico. Da tempo, ormai, le interfacce
cervello/macchina sviluppate da Niels
Birbaumer e colleghi dell’Università di Tübingen (Germania) sono impiegate da
pazienti privi della funzione motoria degli arti superiori, per muovere con le
proprie onde cerebrali il cursore di un computer che seleziona lettere per
scrivere messaggi. Un contributo notevole è venuto dal lavoro di un gruppo
della USC guidato da Theodore W. Berger, che realizzò la prima interfaccia
cervello/macchina in grado di comunicare con l’encefalo inviando impulsi in
entrata e, per la prima volta nel mese di gennaio 2007, introdusse in sezioni
sottili di ippocampo di ratto un chip
al silicone capace di mimare l’attività elettrica dei neuroni naturali. In
alcuni esperimenti, il chip risultava
in grado di sostituire una sezione di ippocampo rimossa chirurgicamente,
elaborando i segnali in entrata e traducendoli in risposte la cui fedeltà
rispetto allo standard biologico raggiungeva il 90%. Per molti anni gli
ingegneri biomedici sono stati sul punto di sperimentare prototipi di chip elettronici in sezioni di ippocampo,
tanto che una divulgazione un po’ superficiale aveva presentato questi impianti
come già realizzati, ma i problemi che nascevano con questo tipo di esperimenti
erano numerosi, presentando ostacoli spesso difficili da superare. Basti
pensare, ad esempio, che i ricercatori si sono dovuti specializzare in uno
speciale tipo di taglio delle sezioni ippocampali che preservasse la
funzionalità delle vie nervose nelle condizioni dell’esperimento, e che è stato
necessario procedere alla progettazione e alla realizzazione di un nuovo tipo
di microelettrodi, in quanto i sistemi già esistenti non funzionavano in quelle
fettine di tessuto cerebrale[1].
Negli
anni successivi, come ha spiegato il presidente Perrella nella sua relazione,
si sono avuti piccoli progressi ed ora il team
di Nicolelis, impiegando una tecnologia descritta in dettaglio in un lavoro
pubblicato su Nature, è riuscito ad
ottenere che un macaco potesse, direttamente con il suo cervello, muovere una
mano avatar sullo schermo di un
computer. Il cervello della scimmia riceveva segnali elettrici artificiali,
equivalenti a quelli originati nei neuroni recettoriali del proprio arto
biologico, e in grado di codificare le caratteristiche sensoriali degli oggetti
toccati dall’avatar cui era collegato
il suo encefalo. L’integrazione dei processi somatosensitivi con quelli
somatomotori era tale da consentire all’animale di decodificare perfettamente i
messaggi tattili epicritici e, in tal modo, distinguere dalle caratteristiche
di superficie gli oggetti mediante l’arto avatar.
Se questa tecnologia si rivelerà efficace negli esseri umani, pazienti con
infermità motorie quali quelle dei volontari che partecipano agli studi di
Schwartz, potranno camminare ed usare in ogni modo fisiologico gli arti e, in
particolare, le mani.
A
questo scopo è in cantiere la realizzazione di una sofisticata struttura che è
stata battezzata “robot indossabile” (wearable
robot) e che, in termini medici, può essere considerata una protesi simile ad un esoscheletro
provvista di specifici sensori che inviano informazioni alla corteccia
somatosensoriale. L’interfaccia della struttura indossabile è controllata da
impianti neurali che catturano segnali provenienti dalla corteccia motoria per
il movimento di braccia, gambe, dita e ogni altra parte collegata. Miguel
Nicolelis conta di completare l’intera impresa per il 2014, quando il Brasile,
sua terra natìa, organizzerà il campionato del mondo di calcio, e spera di
poter presentare il primo “robot indossabile” della storia durante la cerimonia
di apertura della manifestazione sportiva internazionale.
A
Miguel Nicolelis e al suo team, i
migliori auguri della Società Nazionale di Neuroscienze “Brain, Mind & Life
Italia”.
L’autrice della nota ringrazia la
dottoressa Isabella Floriani per la correzione della bozza e invita alla
lettura delle numerose recensioni di lavori di argomento connesso che compaiono
nelle “Note e Notizie” (utilizzare il motore interno nella pagina “CERCA” del
sito).