Una gamba robotica che può essere completamente controllata dal cervello e dal midollo spinale ha consentito a sette persone che hanno perso una gamba di camminare velocemente quanto le persone senza amputazione.

La gamba bionica utilizza un'interfaccia computerizzata che amplifica i segnali nervosi provenienti dai muscoli della parte rimanente della gamba, consentendo a chi la indossa di muovere la protesi utilizzando i propri pensieri e i propri riflessi naturali.

In uno studio clinico condotto su 14 persone, i partecipanti con questa interfaccia sono stati in grado di camminare il 41% più velocemente rispetto a quelli con le gambe robotiche tradizionali. Avevano anche un migliore equilibrio e la capacità di cambiare velocità, salire le scale e superare gli ostacoli. I risultati sono stati annunciati oggiMedicina della naturapubblicato 1.

"Questo è il primo studio a mostrare modelli di andatura naturale con modulazione neurale completa, in cui il cervello della persona ha il controllo del 100% sulla protesi bionica, non su un algoritmo robotico", ha affermato il coautore dello studio. Ugo Signore, biofisico del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge, in una conferenza stampa per annunciare i risultati.

"Sebbene la gamba sia realizzata in titanio, silicone e vari componenti elettromeccanici, la gamba si sente e si muove in modo naturale, senza pensiero cosciente", ha aggiunto.

A Herr furono amputate entrambe le gambe dopo essere rimasto bloccato sul ghiaccio sul Monte Washington nel New Hampshire durante una bufera di neve nel 1982. Dice che in futuro prenderà in considerazione dispositivi di interfaccia per i suoi arti.

Il muscolo incontra la macchina

La maggior parte degli arti artificiali bionici esistenti si basa su algoritmi preimpostati per controllare i movimenti e può passare automaticamente tra modalità predefinite per diverse condizioni di camminata. Modelli avanzati hanno aiutato le persone con amputazioni a camminare, correre e salire le scale in modo più fluido, ma il robot mantiene il controllo del movimento della gamba, non l’utente, e il dispositivo non viene percepito come una parte del corpo.

Determinati a cambiare questa situazione, Herr e i suoi colleghi hanno sviluppato un’interfaccia che controlla la gamba robotica utilizzando i segnali provenienti dai nervi e dai muscoli che rimangono dopo l’amputazione.

Il loro studio clinico ha incluso 14 partecipanti con amputazioni sotto il ginocchio. Prima di indossare il dispositivo robotico, sette di loro sono stati sottoposti a un intervento chirurgico per collegare coppie di muscoli nelle restanti sezioni delle gambe.

Questa tecnica chirurgica, che crea un'interfaccia mioneurale agonista-antagonista (AMI), mira a ricreare i movimenti muscolari naturali in modo che la contrazione di un muscolo ne allunghi un altro. Questo aiuta ad alleviare il dolore, mantenere la massa muscolare e migliorare il comfort con la gamba bionica 2.

La gamba bionica stessa comprende una caviglia protesica dotata di sensori ed elettrodi fissati alla superficie della pelle. Questi catturano i segnali elettrici generati dai muscoli nel sito dell'amputazione e li inviano a un piccolo computer per la decodifica. La gamba pesa 2,75 chilogrammi, simile al peso medio di una parte inferiore della gamba naturale.

Miglioramenti rapidi

Per testare il sistema, i partecipanti si sono esercitati con le loro nuove gambe bioniche per un totale di sei ore ciascuno. I ricercatori hanno poi confrontato le loro prestazioni in vari compiti con quelle degli altri sette partecipanti che avevano ricevuto interventi chirurgici e protesi convenzionali.

L'AMI ha aumentato la frequenza dei segnali muscolari a una media di 10,5 impulsi al secondo, rispetto a circa 0,7 impulsi al secondo nel gruppo di controllo. Sebbene questo rappresenti solo il 18% degli impulsi muscolari nei muscoli biologicamente intatti – circa 60 impulsi al secondo – i partecipanti con AMI erano in grado di controllare completamente le loro protesi e camminavano il 41% più velocemente rispetto a quelli del gruppo di controllo. Le loro velocità massime corrispondono a quelle delle persone senza amputazioni che camminano su un percorso pianeggiante lungo un corridoio lungo 10 metri.

"In realtà ho trovato straordinario che potessero fare così bene con così poco apprendimento", afferma Levi Hargrove, neuroscienziato della Northwestern University di Chicago, Illinois. "Vedrebbero benefici ancora maggiori con un periodo di allenamento più lungo indossando il dispositivo."

I ricercatori hanno anche testato la capacità dei partecipanti di gestire varie situazioni, tra cui camminare su un pavimento con un'inclinazione di 5 gradi, salire le scale e superare ostacoli. In tutti gli scenari, gli utenti AMI hanno dimostrato un equilibrio migliore e prestazioni più veloci rispetto alle persone del gruppo di controllo.

"Offre all'utente un livello di flessibilità così elevato che è molto più vicino alla gamba biologica", afferma Tommaso Lenzi, ingegnere biomedico presso l'Università dello Utah a Salt Lake City.

Esperienza naturale

La tecnologia offre una nuova speranza alle persone con amputazioni che vogliono riacquistare la deambulazione naturale. "Le persone che hanno subito un'amputazione vogliono mantenere il controllo dei propri arti. Vogliono sentire che l'arto sia parte del loro corpo", afferma Lenzi. “Questo tipo di interfaccia neurale è necessaria per raggiungere questo obiettivo”.

Miglioramenti al design della gamba potrebbero ridurre il peso e ottimizzare gli elettrodi di superficie, che sono sensibili all'umidità e al sudore e potrebbero non essere adatti all'uso quotidiano, afferma Lenzi. Saranno necessari studi futuri per verificare se il dispositivo è in grado di gestire attività più impegnative come lo sprint e il salto.

Herr dice che il suo team sta già cercando modi per sostituire gli elettrodi di superficie con piccole sfere magnetiche impiantate in grado di tracciare con precisione i movimenti muscolari.

Questo studio “fornisce le basi di cui abbiamo bisogno per poi tradurle in tecnologie e soluzioni clinicamente valide per tutti coloro che soffrono di amputazione”, afferma Lenzi.