SCIENZA: UN NUOVO INTERVENTO CHIRURGICO PUO' MIGLIORARE GLI ARTI PROTESICI

 

I ricercatori del MIT hanno inventato un nuovo tipo di chirurgia di amputazione che può aiutare gli amputati a controllare meglio i muscoli residui e a rilevare dove si trova il loro 'arto fantasma' nello spazio. Questo senso di propriocezione ripristinato dovrebbe tradursi in un migliore controllo degli arti protesici, nonché in una riduzione del dolore agli arti, dicono i ricercatori.

Nella maggior parte delle amputazioni, le coppie muscolari che controllano le articolazioni colpite, come i gomiti o le caviglie, vengono recise. Tuttavia, il team del MIT ha scoperto che ricollegare queste coppie muscolari, consentendo loro di mantenere la loro normale relazione push-pull, offre alle persone un feedback sensoriale molto migliore.

'Sia il nostro studio che gli studi precedenti dimostrano che quanto meglio i pazienti possono muovere dinamicamente i muscoli, tanto maggiore sarà il controllo che avranno. Ad esempio, meglio una persona può attivare i muscoli che muovono la caviglia fantasma, meglio è effettivamente in grado di utilizzare le protesi ', afferma Shriya Srinivasan, postdoc del MIT e autore principale dello studio.

In uno studio che apparirà negli Atti della National Academy of Sciences, 15 pazienti che hanno ricevuto questo nuovo tipo di intervento chirurgico, noto come interfaccia miooneurale agonista-antagonista (AMI), potrebbero controllare i loro muscoli in modo più preciso rispetto ai pazienti con amputazioni tradizionali. I pazienti con IMA hanno anche riferito di sentire più libertà di movimento e meno dolore nell'arto colpito.

'Attraverso tecniche chirurgiche e rigenerative che ripristinano i movimenti muscolari agonisti-antagonisti naturali, il nostro studio mostra che le persone con un'amputazione di IMA sperimentano una maggiore mobilità dell'articolazione fantasma, un livello ridotto di dolore e una maggiore fedeltà di controllabilità dell'arto protesico', afferma Hugh Herr, professore di arti e scienze dei media, capo del gruppo Biomechatronics nel Media Lab e autore senior dell'articolo.

Altri autori dell'articolo includono Samantha Gutierrez-Arango ed Erica Israel, associati senior di supporto alla ricerca presso il Media Lab; Ashley Chia-En Teng, uno studente universitario del MIT; Hyungeun Song, uno studente laureato nel programma Harvard-MIT in Scienze e tecnologia della salute; Zachary Bailey, ex ricercatore in visita presso il Media Lab; Matthew Carty, uno scienziato in visita al Media Lab; E Lisa Freed, ricercatrice del Media Lab.

Ripristino della sensazione

La maggior parte dei muscoli che controllano il movimento degli arti si verificano in coppie che si allungano e si contraggono alternativamente. Un esempio di queste coppie agonista-antagonista è il bicipite e il tricipite. Quando pieghi il gomito, il muscolo bicipite si contrae, provocando l'allungamento dei tricipiti e quell'allungamento invia le informazioni sensoriali al cervello.

Durante un'amputazione convenzionale di un arto, questi movimenti muscolari sono limitati, interrompendo questo feedback sensoriale e rendendo molto più difficile per gli amputati sentire dove si trovano i loro arti protesici nello spazio o percepire le forze applicate a quegli arti.

'Quando un muscolo si contrae, l'altro non ha la sua attività antagonista, quindi il cervello riceve segnali confusi', dice Srinivasan, un ex membro del gruppo Biomechatronics che ora lavora al Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT. 'Anche con protesi all'avanguardia, le persone seguono visivamente la protesi per cercare di calibrare il cervello in base al punto in cui si muove il dispositivo.'

Alcuni anni fa, il gruppo MIT Biomechatronics ha inventato e sviluppato scientificamente in studi preclinici una nuova tecnica di amputazione che mantiene le relazioni tra quelle coppie muscolari. Invece di recidere ogni muscolo, collegano le due estremità dei muscoli in modo che comunichino ancora dinamicamente tra loro all'interno dell'arto residuo. In uno studio del 2017 sui ratti, hanno dimostrato che quando gli animali contraevano un muscolo della coppia, l'altro muscolo si allungava e inviava informazioni sensoriali al cervello.

Dopo questi studi preclinici, circa 25 persone sono state sottoposte all'intervento chirurgico all'AMI al Brigham and Women’s Hospital, eseguito da Carty, che è anche chirurgo plastico presso il Brigham and Women’s Hospital. Nel nuovo studio PNAS, i ricercatori hanno misurato la precisione dei movimenti muscolari nelle articolazioni della caviglia e sottoastragalica di 15 pazienti che avevano amputazioni di IMA sotto il ginocchio. Questi pazienti avevano due serie di muscoli ricollegati durante la loro amputazione: i muscoli che controllano la caviglia e quelli che controllano l'articolazione subtalare, che consente alla pianta del piede di inclinarsi verso l'interno o verso l'esterno. Lo studio ha confrontato questi pazienti con sette persone che avevano amputazioni tradizionali sotto il ginocchio.

Ogni paziente è stato valutato sdraiato con le gambe appoggiate su un cuscino di schiuma, permettendo ai piedi di estendersi in aria. I pazienti non hanno indossato protesi degli arti durante lo studio. I ricercatori hanno chiesto loro di flettere le articolazioni della caviglia - sia quella intatta che quella 'fantasma' - del 25, 50, 75 o 100 percento della loro gamma completa di movimento. Gli elettrodi attaccati a ciascuna gamba hanno permesso ai ricercatori di misurare l'attività di muscoli specifici mentre ogni movimento veniva eseguito ripetutamente.

I ricercatori hanno confrontato i segnali elettrici provenienti dai muscoli dell'arto amputato con quelli dell'arto intatto e hanno scoperto che per i pazienti con IMA erano molto simili. Hanno anche scoperto che i pazienti con amputazione AMI erano in grado di controllare i muscoli dell'arto amputato in modo molto più preciso rispetto ai pazienti con amputazioni tradizionali. I pazienti con amputazioni tradizionali avevano maggiori probabilità di eseguire lo stesso movimento più e più volte nell'arto amputato, indipendentemente da quanto gli fosse stato chiesto di flettere la caviglia.

'La capacità dei pazienti con IMA di controllare questi muscoli era molto più intuitiva di quelli con amputazioni tipiche, che in gran parte avevano a che fare con il modo in cui il loro cervello stava elaborando il modo in cui si muoveva l'arto fantasma', dice Srinivasan.

In un articolo apparso di recente su Science Translational Medicine, i ricercatori hanno riferito che le scansioni cerebrali degli amputati AMI hanno mostrato che stavano ottenendo un feedback più sensoriale dai loro muscoli residui rispetto ai pazienti con amputazioni tradizionali. Nel lavoro attualmente in corso, i ricercatori stanno misurando se questa capacità si traduce in un migliore controllo di una protesi della gamba mentre si cammina.

Libertà di movimento

I ricercatori hanno anche scoperto un effetto che non avevano previsto: i pazienti con IMA hanno riportato molto meno dolore e una maggiore sensazione di libertà di movimento negli arti amputati.

'Il nostro studio non era specificamente progettato per raggiungere questo obiettivo, ma era un sentimento che i nostri soggetti hanno espresso più e più volte. Avevano una sensazione molto maggiore di come si sentiva effettivamente il loro piede e di come si muoveva nello spazio ', dice Srinivasan. 'È diventato sempre più evidente che riportare i muscoli alla loro normale fisiologia aveva benefici non solo per il controllo protesico, ma anche per il loro benessere mentale quotidiano'.

Il team di ricerca ha anche sviluppato una versione modificata dell'intervento che può essere eseguita su persone che hanno già subito un'amputazione tradizionale. Questo processo, che chiamano 'IMA rigenerativa', comporta l'innesto di piccoli segmenti muscolari che fungono da muscoli agonisti e antagonisti per un'articolazione amputata. Stanno anche lavorando allo sviluppo della procedura AMI per altri tipi di amputazioni, comprese sopra il ginocchio e sopra e sotto il gomito.

'Stiamo imparando che questa tecnica di ricablaggio dell'arto e l'utilizzo di pezzi di ricambio per ricostruire quell'arto funziona ed è applicabile a varie parti del corpo', dice Herr.

Scritto da Anne Trafton per: Technology

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