Muscoli come motori, nuova vita per gli organi paralizzati?

Che cosa accadrebbe se un giorno una tecnologia fosse in grado di riattivare parti del corpo paralizzate che hanno perso la connessione con il cervello, come una vescica che non riesce più a svuotarsi a causa di un danno al midollo spinale o un intestino bloccato che non riesce più a digerire il cibo a causa del morbo di Crohn? Inoltre che cosa accadrebbe se questa tecnologia fosse in grado anche di inviare al cervello stimoli come la fame o il tatto?  

Quel giorno potrebbe essere più vicino di quanto pensiamo. Una nuova ricerca del MIT (Massachusetts Institute of Technology) sembrerebbe infatti gettare uno sguardo sullo scenario appena descritto. In uno studio liberamente consultabile in accesso aperto pubblicato sulla rivista Nature Communications, sono stati presentati i risultati di un nuovo studio riguardante un attuatore mio-neurale (MNA, myoneural actuator) che sembrerebbe essere in grado di "riprogrammare" i muscoli rendendoli dei veri e propri motori resistenti alla fatica e controllati da un computer. Tali muscoli potrebbero essere in futuro impiantati nel corpo umano per ripristinare il movimento di altri organi paralizzati.

«Abbiamo creato un’interfaccia che sfrutta i percorsi naturali usati dal sistema nervoso, così siamo in grado di controllare gli organi del corpo senza intoppi e allo stesso tempo di rendere possibile la trasmissione di feedback sensoriali al cervello», sostiene il prof. Hugh Herr, autore principale dello studio nonché professore di arti e scienze dei media al MIT Media Lab, co-direttore del K. Lisa Yang Center for Bionics e membro del McGovern Institute for Brain Research al MIT.

Lo studio è stato co-condotto dal ricercatore postdoc Guillermo Herrera-Arcos, e dall'ex postdoc Hyungeun Song. Assegnando nuove funzioni ai muscoli già presenti nel corpo, i ricercatori hanno sviluppato il primo impianto biologico che utilizza nervi sensoriali ricollegati per far tornare in vita organi paralizzati, ciò potrebbe rappresentare l’avvio di un nuovo genere di medicina dove i tessuti della persona diventano una sorta di hardware biologico.

 

 

Riconnettere l'interfaccia cervello-corpo

Nel corso degli anni diversi enti di ricerca internazionali hanno visto numerosi scienziati collaborare intensamente a progetti dedicati al ripristino delle funzioni di movimento negli organi paralizzati ma gli ostacoli al buon funzionamento di tali sistemi sono rappresentati proprio dal calo delle prestazioni durante tutto il loro periodo di attività. 

Infatti progettare una tecnologia in grado di comunicare con il sistema nervoso di un organismo vivente in grado di mantenere nel tempo le sue caratteristiche pressoché inalterate senza subire bruschi cali di prestazione risulta un obiettivo estremamente difficile da raggiungere per gli scienziati. 

Alcuni team di ricerca hanno provato a inserire attuatori miniaturizzati, ossia piccole macchine capaci di muovere arti bionici, nel corpo umano. Tuttavia, scrive Herrera-Arcos, «Risulta difficile costruire attuatori su scale molto piccole (inferiori al centimetro), inoltre tali dispositivi non sono nemmeno molto efficienti.»

Altri ricercatori invece si sono concentrati nella realizzazione di tessuto muscolare in laboratorio, ma costruire muscoli frammento per frammento (o per meglio dire cellula per cellula) richiede molto tempo e non siamo ancora pronti per un utilizzo sicuro di tali soluzioni sugli esseri umani.

I ricercatori coordinati dal prof. Herr hanno provato ad aggirare tali ostacoli provando una strada diversa. «Abbiamo ingegnerizzato muscoli già esistenti per farli diventare degli attuatori in grado di ripristinare il movimento negli organi» scrive Song.

Per ottenere tale risultato, i ricercatori hanno dovuto esplorare le delicate dinamiche che avvengono all'interno del sistema nervoso.

Infatti per funzionare correttamente l'attuatore dovrebbe interfacciarsi con il sistema nervoso ma allo stesso tempo essere in grado di eludere il controllo a livello conscio del cervello. «Nessuno vorrebbe che il proprio cervello fosse in grado di controllare in maniera conscia un attuatore muscolare poiché un attuatore dovrebbe essere in grado di controllare automaticamente un organo, come ad esempio il cuore» sottolinea Herrera-Arcos.

Implementare un impianto in grado di controllare dei muscoli “attuatori” attraverso un computer in modo da rendere possibile il movimento di altri organi paralizzati potrebbe garantire funzioni che normalmente avvengono in modo automatico (come ad es. la respirazione, il battito cardiaco o i movimenti intestinali) nonché di bypassare percorsi cerebrali danneggiati.

Incorporare motoneuroni (si tratta di cellule nervose del sistema nervoso centrale che sono in grado di controllare i muscoli volontari e involontari, essenziali per movimenti, respirazione e deglutizione) nell'attuatore potrebbe essere di aiuto nel generare i movimenti tuttavia, questi neuroni sono controllati direttamente dal cervello. «I neuroni sensoriali, invece, sono progettati per ricevere segnali, non per impartire dei comandi» scrive Song. «Abbiamo pensato di poter sfruttare tale dinamica e di reinstradare i segnali motori attraverso le fibre sensoriali, facendole così diventare il nuovo centro di comando dei muscoli al posto del cervello.» prosegue il ricercatore.

Per ottenere tale risultato bisognava collegare i nervi sensoriali ai muscoli facilmente senza ovviamente causare problemi ma gli scienziati non avevano verificato la fattibilità di tale opzione. A tal proposito sono stati condotti esperimenti sui topi e, in maniera del tutto inaspettata, nel momento in cui il team ha effettuato la sostituzione dei nervi motori con quelli sensoriali in alcuni muscoli «i nervi sensoriali hanno ristabilito l'innervazione dei muscoli e formato sinapsi funzionanti. Si tratta di una scoperta fantastica» scrive Herrera-Arcos.

I neuroni sensoriali non solo hanno reso possibile l'uso di un controller digitale ma hanno anche aiutato a ridurre l'affaticamento muscolare, ciò ha consentito un aumento della resistenza alla fatica nei muscoli dei roditori del 260% rispetto a quanto avviene nei muscoli originari. Ciò avviene poichè l'affaticamento muscolare dipende in gran parte dal diametro degli assoni (funzionano come dei cavi che innervano i muscoli e sono in grado di trasportare gli impulsi nervosi). Le dimensioni degli assoni dei motoneuroni hanno una grande variabilità e quando un nervo motorio viene stimolato elettricamente gli assoni più grandi sono i primi ad attivarsi facendo stancare velocemente il muscolo. Tuttavia, gli assoni sensoriali sono quasi tutti della stessa dimensione pertanto in questo caso il segnale viene distribuito in modo più uniforme tra le fibre muscolari evitando così la fatica muscolare, sottolinea Herrera-Arcos.

 

Progettare un sistema bioibrido

 

I ricercatori hanno combinato tutti questi elementi in un motore bioibrido resistente alla fatica chiamato attuatore mio-neurale (MNA, Myoneural Actuator). Avvolgendo tale attuatore attorno all’intestino paralizzato di un topo, i ricercatori sono stati in grado di ristabilire i movimenti di contrazione dell’organo. Inoltre, in un altro esperimento progettato per imitare quello che avviene con i muscoli superstiti a seguito delle amputazioni degli arti inferiori in un essere umano, gli scienziati sono stati in grado di ristabilire il controllo dei muscoli dei polpacci dei roditori. È importante sottolineare che il sistema MNA riusciva a trasmettere segnali sensoriali al cervello. «Questa caratteristica sembrerebbe suggerire che la nostra tecnologia potrebbe essere in grado di collegare in maniera fluida gli organi al cervello. Per esempio, potremmo essere in grado di far sì che uno stomaco paralizzato riesca a trasmettere lo stimolo della fame» continua Song.

 

Sperimentare MNA sugli esseri umani?

 

Passare dalla sperimentazione su modelli animali agli studi clinici sugli esseri umani richiederà comunque ulteriori test su modelli animali più grandi. Soltanto alla fine di tali test su modelli animali più complessi si potrà passare ai  test sull'uomo. Nel caso in cui il sistema MNA dovesse superare il severo iter normativo si potrebbe forse aprire una strada più semplice e sicura per far rivivere gli organi paralizzati.

I ricercatori sostengono che impiantare tali attuatori richiederebbe un intervento chirurgico già normalmente praticato in ambiente ospedaliero e potrebbe rappresentare un sistema più semplice e sicuro da implementare rispetto a quello che avviene attualmente, l’utilizzo cioè di protesi meccaniche oppure il trapianto di organi. In entrambi i casi viene comunque introdotto materiale estraneo al corpo umano ed esistono casi di rigetto.

Gli scienziati sperano che la nuova tecnologia possa migliorare la vita di milioni di persone che devono fare i conti quotidianamente con organi disfunzionali. «Le soluzioni attuali sono per lo più artificiali: pacemaker e altri dispositivi meccanici di assistenza. Un attuatore muscolare vivente impiantato insieme a un organo indebolito potrebbe diventare parte del corpo stesso. Si tratta di un cambio di prospettiva, una medicina diversa da tutto ciò che si vede oggi in ambiente clinico» spiega Herrera-Arcos.

Secondo Song la pelle rappresenta un organo di particolare interesse. «Teoricamente potremmo avvolgere attuatori MNA attorno ai trapianti di pelle in modo da permettere la trasmissione del feedback tattile, come la tensione o lo sforzo, che attualmente manca agli utenti di protesi.» La tecnologia in fase di sviluppo al MIT potrebbe persino potenziare anche i sistemi di realtà virtuale. «Se riuscissimo ad accoppiare il sistema MNA alla pelle e ai muscoli una persona potrebbe sentire ciò che il proprio avatar virtuale sta toccando anche se il corpo reale non si sta muovendo» sostiene Song.

«La nostra ricerca è sul punto di ridare nuova vita a diverse parti del corpo», aggiunge Herrera-Arcos. «È emozionante pensare che il nostro sistema potrebbe potenziare le capacità degli esseri umani in modi che un tempo appartenevano solo al mondo della fantascienza.»

Lo studio è stato finanziato, in parte, dal Yang Tan Collective MIT, dal K. Lisa Yang Center for Bionics MIT, dal Nakos Family Bionics Research Fund MIT e dalla Carl and Ruth Shapiro Foundation.

Riferimenti

A myoneural actuator with engineered biophysics for implantable biohybrid systems - Nature Communications