I ricercatori svizzeri utilizzano un BCI wireless per aiutare un paziente con lesioni spinali a camminare in modo più naturale

Ever anno, più di un milione di persone in Nord America subire una qualche forma di lesione del midollo spinale (SCI), con un costo annuo di oltre 7 miliardi di dollari per curare e riabilitare quei pazienti. La comunità medica ha fatto incredibili progressi per mitigare, se non invertire, gli effetti della paralisi nell’ultimo quarto di secolo compresi i progressi della farmacologia, tecnologie delle cellule staminali, neuromodulazione e protesi esterne. La stimolazione elettrica del midollo spinale ha già mostrato risultati particolarmente promettenti nell’aiutare i pazienti con lesioni spinali a riabilitare, migliorando non solo la funzione delle estremità ma anche la spasticità, la vescica e il controllo della pressione sanguigna. Ora, in uno studio pubblicato su Natura Martedì, Avvio della terapia SCI Onward Medicalha annunciato di aver contribuito a migliorare l’andatura a piedi di un ex paraplegico attraverso l’uso di un’interfaccia computer-cervello (BCI) impiantata e di un nuovo “ponte digitale” che copre lo spazio in cui la spina dorsale è stata recisa.

Per anni abbiamo fatto zapping alla spina dorsale dei pazienti paraplegici con scariche a basso voltaggio come parte della loro riabilitazione fisica in un processo noto come Stimolazione elettrica funzionale (FES). Gli elettrodi vengono posizionati direttamente sopra i nervi che devono incitare, bypassando esternamente i propri percorsi neurali interrotti, e, quando attivati, provocano l’attivazione dei nervi sottostanti e la contrazione dei muscoli. I ricercatori hanno usato questo metodo per ripristinare il movimento della mano e del braccio in alcuni pazienti, la capacità di stare in piedi e camminare in altri e, per pochi fortunati, exosuit! I movimenti degli arti risultanti, tuttavia, erano decisamente sgraziati, con conseguenti movimenti ponderosi delle braccia e andature deambulanti che assomigliavano più a strascichi.

In avanti precedenti ricerche nella stimolazione elettrica epidurale ha mostrato che era efficace nel colpire i nervi nella parte bassa della schiena che potevano essere usati per attivare i muscoli delle gambe. Ma la terapia in quel momento era ostacolata dalla necessità di sensori di movimento indossabili e da “i partecipanti… capacità limitata di adattare i movimenti delle gambe ai cambiamenti del terreno e alle richieste volitive.“ Onward ha affrontato questo problema nello studio di martedì incorporando un “ponte digitale” per monitorare gli impulsi di comando del cervello e consegnarli, in modalità wireless e in tempo reale, a un pacchetto di stimolazione impiantato nella parte bassa della schiena del paziente.

I medici hanno utilizzato questi sistemi per la parte migliore di un decennio per aiutare a migliorare il controllo e la funzione degli arti superiori dopo la SCI – Onward’s own Sistema ARCEX è progettato per fare proprio questo, sebbene questo studio sia stato il primo ad applicare le stesse teorie agli arti inferiori.

Il paziente di Onward era un uomo di 38 anni che aveva subito una “lesione incompleta del midollo spinale cervicale (C5/C6)” un decennio prima e che era stato sottoposto a un programma di neuroriabilitazione di cinque mesi con “stimolazione elettrica epidurale mirata del midollo spinale”. nel 2017. “Questo programma gli ha permesso di riguadagnare la capacità di camminare con l’aiuto di un deambulatore a ruote anteriori”, ha osservato il team di ricerca nel Natura studio. “Nonostante l’uso continuato della stimolazione a casa, per circa tre anni, aveva raggiunto un plateau di recupero neurologico”.

Oltre all’EX, Onward Medical ha anche sviluppato una terapia di elettrostimolazione montata internamente, l’ARC IM. Secondo l’azienda, è “costruito appositamente per il posizionamento lungo il midollo spinale per stimolare il radici dorsali”, per aiutare a migliorare la regolazione della pressione sanguigna dei pazienti con LM. Il sistema utilizzato nello studio di martedì utilizzava l’ARC IM come base e lo sposava con a WIMAGINE interfaccia cervello computer.

Il team di Onward ha dovuto prima installare il BCI all’interno del cranio del paziente. Tecnicamente, si trattava di un paio di impianti di elettrodi a 64 derivazioni, ciascuno montato in una cassa di titanio di forma circolare di 50 millimetri che si trova a filo con il cranio. Il WIMAGINE “è meno invasivo rispetto ad altre opzioni pur offrendo una risoluzione sufficiente per guidare a piedi”, ha detto a Engadget Dave Marver, CEO di OnwardMedical, via e-mail. “Ha anche dati quinquennali che dimostrano stabilità nella chiarezza dei segnali prodotti”.

Due antenne esterne si trovano sul cuoio capelluto, la prima fornisce alimentazione agli impianti tramite accoppiamento induttivo, la seconda per deviare il segnale a una stazione base portatile per la decodifica e l’elaborazione. Il segnale elaborato viene quindi trasmesso in modalità wireless al Generatore di impulsi impiantabile ACTIVA RC seduto in cima alla regione lombare del paziente dove altri 16 elettrodi impiantati colpiscono i gruppi nervosi appropriati per muovere le gambe. Insieme formano un sistema Brain Spine Interface (BSI), secondo Onward.

L’intera configurazione è progettata per essere utilizzata in modo indipendente dal paziente. Il deambulatore assistivo ospita tutti i pezzi BSI mentre un’interfaccia di feedback tattile li aiuta a posizionare correttamente l’auricolare e calibrare l’algoritmo predittivo.

Per far sì che il BCI e il generatore di impulsi funzionino insieme senza soluzione di continuità, Onward ha sfruttato un “algoritmo multilineare a commutazione Aksenova/Markov che collegava ECoG segnali al controllo dei parametri di stimolazione elettrica epidurale”, che sembra così ovvio col senno di poi. Fondamentalmente, questo algoritmo prevede due cose: la probabilità che il paziente intenda muovere un’articolazione specifica in base ai segnali che sta monitorando, e sia l’ampiezza che la direzione di quel presunto movimento previsto. Tali previsioni vengono quindi scaricate in un controller analogico che le traduce in comandi di codice che vengono, a loro volta, trasmessi al generatore di impulsi ogni 300 millisecondi. In tutto, la latenza tra il pensiero del paziente “dovrei camminare laggiù” e il sistema che decodifica quei pensieri è di soli 1,1 secondi.

La calibrazione del sistema per il paziente si è rivelata un processo altrettanto rapido. Il paziente aveva capito come “attivare” correttamente i muscoli dei fianchi per generare una coppia sufficiente per far oscillare le gambe entro i primi due minuti dal tentativo, e lo ha fatto con una precisione del 97%. Nel corso della riabilitazione, il paziente è riuscito a ottenere il controllo sui movimenti di ciascuna articolazione della gamba (anca, ginocchio e caviglia) con una precisione media (in quanto il BSI ha eseguito ciò che il paziente intendeva) di circa il 75%.

“Dopo soli 5 minuti di calibrazione, il BSI ha supportato il controllo continuo sull’attività dei muscoli flessori dell’anca”, ha continuato il team, “che ha consentito al partecipante di ottenere un aumento di cinque volte dell’attività muscolare rispetto ai tentativi senza il BSI”. sono stati spazzati via non appena il BCI è stato spento, perdendo istantaneamente la capacità di calpestare, hanno spiegato. “La deambulazione è ripresa non appena il BSI è stato riacceso.”

Grazie a questa procedura, non solo il paziente è stato in grado di passare dalla deambulazione con un deambulatore a ruote anteriori alle stampelle, ma anche la sua andatura è migliorata in modo significativo. “Rispetto alla sola stimolazione, il BSI ha consentito di camminare con caratteristiche dell’andatura che erano nettamente più vicine a quelle quantificate negli individui sani”, ha scritto il team di Onward. Il paziente è stato persino in grado di utilizzare il sistema per attraversare terreni non asfaltati con le stampelle, un’impresa che si rivela ancora abitualmente pericolosa per molti robot bipedi.

In tutto, il paziente è stato sottoposto a 40 sessioni di riabilitazione con il BCI, un mix di fisio-riabilitazione standard insieme a esercizi di equilibrio, deambulazione e movimento abilitati dal BCI. Il paziente ha visto miglioramenti moderati nei suoi punteggi sensoriali (tocco leggero), ma un enorme aumento di 10 punti nei suoi Punteggi WISCI II. WISCI II è il Walking Index for Spinal Cord Injury, una scala di 21 punti che misura la capacità ambulatoriale di un paziente che va da 20, “può muoversi senza assistenza”, fino a 0, “a letto”. Il paziente in poi è passato da un 6 a un 16 con l’aiuto di questa terapia.

“Poiché il partecipante aveva precedentemente raggiunto un plateau di recupero dopo la riabilitazione intensiva utilizzando la sola stimolazione del midollo spinale, è ragionevole presumere che il BSI abbia innescato una riorganizzazione dei percorsi neuronali che era responsabile dell’ulteriore recupero neurologico”, ha scritto il team di Onward. “Questi risultati suggeriscono che stabilire un collegamento continuo tra il cervello e il midollo spinale promuove la riorganizzazione dei percorsi neuronali residui che collegano queste due regioni in condizioni fisiologiche normali”.

Sebbene i risultati siano promettenti, molto lavoro deve ancora essere fatto. Il team di Onward sostiene che le iterazioni future richiederanno “miniaturizzazione della stazione base, unità di calcolo e antenne impercettibili”, throughput di dati più veloci, “parametri di stimolazione versatili, controllo wireless diretto dall’unità di calcolo indossabile” e “un singolo circuito integrato a bassa potenza incorporando un processore neuromorfico con capacità di autocalibrazione che traduce autonomamente l’attività corticale in aggiornamenti dei programmi di stimolazione.

Nonostante le scoraggianti sfide tecniche, “il sistema BCI descritto in Tuesday’s Natura la pubblicazione potrebbe raggiungere il mercato tra cinque o sette anni”, ha previsto la Marvel. “È possibile e realistico che una terapia di stimolazione del midollo spinale potenziata con BCI sarà sul mercato entro la fine del decennio”.

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