Scuola Superiore Sant'Anna

Che cosa percepisce in tempo reale un amputato con una mano artificiale?

06.02.2014

Nove anni dopo il suo incidente, Dennis Aabo Sørensen, danese, è diventato il primo amputato nel mondo a percepire informazioni sensoriali raffinate e quasi-naturali, in tempo reale, grazie a una mano prostetica ad elevato impatto sensoriale che gli è stata collegata, chirurgicamente, ai nervi del suo arto superiore. L’Ing. Silvestro Micera e il suo team presso l'EPFL (Svizzera) e l’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna, hanno sviluppato la rivoluzionaria reazione sensoriale che ha permesso a Sørensen di percepire di nuovo sensazioni durante la manipolazione degli oggetti.

Il prototipo di questa tecnologia bionica è stato testato nel marzo 2013 durante un processo clinico al Policlinico Gemelli di Roma, sotto la supervisione del Prof. Paolo Maria Rossini. I risultati dello studio sono adesso stati pubblicati nell'edizione di “Science Translational Medicine” con data 5 febbraio 2014 e presentati nell’ambito di una più ampia collaborazione tra diverse università, come il Campus Biomedico di Roma, centri di ricerca e ospedali europei, ribattezzata “LifeHand2”.

“Il feedback sensoriale è stato incredibile”, ha commentato il 36enne amputato della Danimarca. “Ho potuto toccare cose che non ero riuscito a sentire in oltre nove anni". Indossando una benda sugli occhi e tappi per le orecchie, Sørensen potrebbe dire con quanta forza stia afferrando un oggetto, oltre alla forma e alla consistenza di diversi oggetti, usando la sua protesi di mano. “Quando ho afferrato un oggetto, ho potuto avvertire se fosse morbido o duro, tondo o quadrato”, ha aggiunto.

Dal segnale elettrico all’impulso nervoso
Silvestro Micera e il suo team hanno “rafforzato” la protesi di mano con sensori che rilevano le informazioni riguardanti il contatto. Ciò è stato realizzato misurando la tensione all’interno dei tendini artificiali che controllano il movimento del dito, trasformandola in corrente elettrica.
Ma questo segnale elettrico è troppo “grosso” affinché possa essere percepito dal sistema nervoso. Utilizzando algoritmi computerizzati, i ricercatori hanno trasformato il segnale elettrico in un impulso che i nervi sensoriali riescono a interpretare. Il senso del tatto è stato realizzato inviando in maniera digitale il segnale raffinato, attraverso i cavi di quattro elettrodi che sono stati impiantati in maniera chirurgica in ciò che rimane dei nervi dell’arto superiore di Sørensen.

“Questa è la prima volta in assoluto che nella neuroprostetica il feedback sensoriale è stato restituito a un amputato, in tempo reale per il controllo di un arto artificiale”, ha sottolineato Micera.
“Eravamo preoccupati per la ridotta sensibilità dei nervi di Dennis visto che non erano più stati utilizzati in oltre nove anni”, ha aggiunto Stanisa Raspopovic, primo autore e ricercatore presso l'EPFL e l’Istituto di BioRobotica. Queste preoccupazioni si sono affievolite non appena gli scienziati hanno riattivato correttamente il senso del tatto di Sørensen.

Connettere gli elettrodi ai nervi
Elettrodi ultra sottili, ultra precisi, sviluppati da un gruppo di ricerca guidato da Thomas Stieglitz dell'Università di Friburgo (Germania), hanno permesso di trasmettere segnali elettrici estremamente deboli al sistema nervoso, in maniera diretta. Un lungo e complesso lavoro di attività di ricerca preliminare è stato compiuto per assicurarsi che gli elettrodi continuassero a funzionare addirittura dopo la formazione del tessuto cicatriziale post-chirurgico. È anche la prima volta che tali elettrodi sono stati impiantati in maniera trasversale nel sistema nervoso periferico di un amputato.

Il 26 gennaio 2013 Sørensen ha subito l'intervento chirurgico a Roma presso il Policlinico Gemelli. Un gruppo specializzato di chirurghi e di neurologi, guidati da Paolo Maria Rossini, ha impiantato gli elettrodi transneuronali all’interno dei nervi ulnari e mediani del braccio sinistro di Sørensen. Dopo 19 giorni di test preliminari, Silvestro Micera e il suo team hanno collegato la loro protesi agli elettrodi – e a Sørensen – ogni giorno per una settimana intera.

Il primo arto artificiale sensorialmente potenziato
Lo studio clinico fornisce il primo passo verso una mano bionica, sebbene una protesi sensorialmente potenziata risulti ancora lontana dal momento in cui sarà disponibile in commercio. La mano bionica dei film di fantascienza, per intenderci, risulta ancora più lontana. Il passo successivo comporta la possibilità dell’impianto di elettrodi per una durata di anni. Questo implicherà la miniaturizzazione dei sistemi elettronici di reazione sensoriale per colui che porterà la protesi. Inoltre, gli scienziati perfezioneranno la tecnologia sensoriale per migliorare la risoluzione del tatto e per aumentare la consapevolezza del movimento angolare delle dita.

Gli elettrodi sono stati rimossi dopo 30 giorni per motivi di sicurezza imposti sugli attuali processi clinici, anche se i ricercatori sono ottimisti: potrebbero rimanere impiantati e funzionali senza alcun danno al sistema nervoso per molti anni.

La forza psicologica è stata un bene
La forza psicologica di Sørensen è stato un bene per lo studio clinico. L'uomo ha affermato: “Ero più che felice di rendermi volontario per la sperimentazione clinica, non soltanto per me stesso, ma anche per aiutare altri amputati”.
Sørensen perse la sua mano sinistra oltre 10 anni fa manipolando fuochi d’artificio, durante una vacanza in famiglia. Fu ricoverato in ospedale e gli fu subito amputata la mano. Da allora, egli ha indossato una protesi commerciale che localizza il movimento dei muscoli nel suo moncone, permettendogli di aprire e di chiudere la mano e anche di trattenere gli oggetti. “Funziona come un freno su una moto," ha spiegato Sørensen a proposito della protesi convenzionale che indossa di solito”. “Quando stringi il freno, la mano si chiude. Quando ti rilassi, la mano si apre”, aggiunge. Senza l’informazione sensoriale che viene alimentata all’interno del sistema nervoso, Sørensen non può sentire quello che sta cercando di afferrare e deve guardare in maniera costante la sua protesi per evitare di rompere un oggetto. Alle protesi commerciali di oggi manca un fattore essenziale, che le rende intuitive da utilizzare. Subito dopo l'amputazione, ha ricordato Sørensen, il medico gli aveva detto: “Ci sono due modi in cui tu puoi esaminare questa situazione. Ti puoi sedere in un angolo e dispiacerti con te stesso. Oppure ti puoi alzare e sentirti grato per quello che hai. Credo che potrai adottare il secondo punto di vista. Adesso mi sono accorto che veva ragione”, ha concluso Sørensen.

La voce dei protagonisti

Dennis Aabo (Volontario nello studio clinico)
“I miei bambini sono stati entusiasti della sperimentazione clinica. Durante la loro visita a Roma, mi hanno soprannominato il "ragazzo dei cavi" per la presenza di tutti quei cavi attaccati su di me”. “La reazione sensoriale è stata incredibile. Potevo sentire cose che non ero riuscito a sentire per più di nove anni. Quando ho tenuto un oggetto, potevo percepire se fosse morbido o duro, tondo o quadrato”. Parlando a proposito della protesi convenzionale che egli indossa solitamente. “Funziona come un freno di una moto. Quando stringi il freno, la mano si chiude. Quando ti rilassi, la mano si apre”.

Silvestro Micera
Professore dell’EPFL e della Scuola Superiore Sant’Anna
“Questa è la prima volta in neuroprotesica che la reazione sensoriale sia stata restaurata e usufruita da un amputato in tempo reale per controllare un arto artificiale”, afferma Micera, che aggiunge. “Questi risultati aprono a possibilità cliniche molto promettenti a favore degli amputati. Nel giro di pochi anni a partire da adesso, questa tecnologia potrebbe diventare clinicamente disponibile. È incredibile per me vedere che la reazione sensoriale stia diventando possibile. Lo sognavo e stavo lavorando per questo, fin da quando ero studente di dottorato quindici anni fa”.

Paolo Maria Rossini
Direttore dell’Istituto di Neurologia, Policlinico Gemelli di Roma
“Come qualsiasi intervento chirurgico non di routine, preparare il nostro paziente a ricevere la protesi è stato impegnativo. Ma una volta che diventa la procedura standard, non ho alcun dubbio che questo tipo di micro-chirurgia potrebbe essere effettuata in un'ora o più in anestesia locale . La sfida più grande per garantire prestazioni ottimale, di lunga durata è stata di collegare correttamente il tronco del nervo con gli elettrodi e impedir loro di scivolare intorno al punto di inserimento. Nel prossimo futuro, speriamo di realizzare connessioni nervo-elettrodi che rimangano completamente funzionale per anni”.

Stanisa Raspopovic
Ricercatore dell’EPFL e della Scuola Superiore Sant’Anna
“Eravamo preoccupati per la ridotta sensibilità dei nervi di Dennis perché non erano più stati usati da oltre nove anni. Eppure, siamo riusciti a riattivare il suo senso del tatto. E' stato un momento molto emozionante quando, dopo infinite ore di test sulla mano artificiale (potenziata sensorialmente), Dennis si rivolse a noi e disse con incredulità, ' questo è magico! Riesco a sentire la chiusura della mia mano persa!'. Tutto il tempo e le risorse investite per il ripristino delle sensazioni della mano di Dennis convergevano durante lo studio clinico. E' stato il culmine di molti anni di ricerca sui microelettrodi”.

Didascalia della foto: L’Ing. Silvestro Micera (Copyright Hillary Sanctuary).