Riepilogo Una lesione del midollo spinale interrompe la comunicazione tra il cervello e la regione del midollo spinale che produce la deambulazione, portando alla paralisi. Qui, abbiamo ripristinato questa comunicazione con un ponte digitale tra il cervello e il midollo spinale che ha consentito a una persona con tetraplegia cronica di stare in piedi e camminare in modo naturale in contesti comunitari. Questa interfaccia cervello-colonna vertebrale (BSI) è costituita da sistemi di stimolazione e registrazione completamente impiantati che stabiliscono un collegamento diretto tra i segnali corticali e la modulazione analogica della stimolazione elettrica epidurale diretta alle regioni del midollo spinale coinvolte nella produzione del midollo spinale. Marzo. Un’interfaccia cervello-colonna vertebrale (BSI) altamente affidabile si calibra in pochi minuti. Questa affidabilità è rimasta stabile per un anno , anche durante l’uso indipendente a casa. Il partecipante riferisce che l’interfaccia cervello-colonna vertebrale (BSI) gli consente il controllo naturale sui movimenti delle gambe per stare in piedi, camminare, salire le scale e persino attraversare terreni complessi. Inoltre, la neuroriabilitazione supportata dalla BSI ha migliorato il recupero neurologico. Il partecipante ha riacquistato la capacità di camminare con le stampelle a terra anche quando il BSI era spento. Questo ponte digitale stabilisce una struttura per ripristinare il controllo naturale del movimento dopo la paralisi. |
Il trattamento
Per camminare, il cervello invia comandi esecutivi ai neuroni situati nel midollo spinale lombosacrale. Sebbene la maggior parte delle lesioni del midollo spinale non danneggino direttamente questi neuroni, l’interruzione dei percorsi discendenti interrompe i comandi derivati dal cervello necessari affinché questi neuroni possano camminare. La conseguenza è la paralisi permanente .
Abbiamo precedentemente dimostrato che la stimolazione elettrica epidurale diretta alle singole zone di input della radice dorsale del midollo spinale lombosacrale consente la modulazione di specifici gruppi motori delle gambe. A sua volta, il reclutamento di queste zone di input della radice dorsale con sequenze spazio-temporali preprogrammate replica l’attivazione fisiologica dei gruppi motori delle gambe alla base dello stare in piedi e del camminare. Queste sequenze di stimolazione hanno ripristinato la posizione eretta e la deambulazione di base nelle persone con paralisi dovuta a lesioni del midollo spinale. Tuttavia, questo recupero richiedeva sensori di movimento indossabili per rilevare le intenzioni motorie dai movimenti residui o strategie compensative per avviare sequenze di stimolazione preprogrammate. Di conseguenza, il controllo dell’andatura non era percepito come del tutto naturale . Inoltre, i partecipanti hanno mostrato una capacità limitata di adattare i movimenti delle gambe ai cambiamenti del terreno e alle richieste volitive.
Qui, suggeriamo che un ponte digitale tra il cervello e il midollo spinale consentirebbe il controllo volontario sui tempi e sull’ampiezza dell’attività muscolare, ripristinando un controllo più naturale e adattivo della posizione eretta e del camminare nelle persone. con paralisi dovuta a lesione del midollo spinale.
Ponte digitale dal cervello al midollo spinale
Per stabilire questo ponte digitale, abbiamo integrato due sistemi completamente impiantati che consentono la registrazione dell’attività corticale e la stimolazione del midollo spinale lombosacrale in modalità wireless e in tempo reale (Fig. 1a).
Fig. 1: Progettazione, tecnologia e implementazione della BSI. a , Due impianti corticali composti da 64 elettrodi vengono posizionati epiduralmente sopra la corteccia sensomotoria per raccogliere segnali ECoG. Un’unità di elaborazione predice le intenzioni motorie e traduce queste previsioni nella modulazione di programmi di stimolazione elettrica epidurale diretti alle zone di input della radice dorsale del midollo spinale lombosacrale. Gli stimoli vengono erogati utilizzando un generatore di impulsi impiantabile collegato a un elettrocatetere a piastre da 16 elettrodi. b , Immagini che informano la pianificazione preoperatoria delle posizioni degli impianti corticali e la conferma postoperatoria. L, sinistra; A, corretto. c , Modello computazionale personalizzato che prevede il posizionamento ottimale del filo della paletta per colpire le zone di ingresso della radice dorsale associate ai muscoli degli arti inferiori e conferma postoperatoria.
Questa catena integrata di hardware e software ha stabilito un ponte digitale wireless tra il cervello e il midollo spinale: un’interfaccia cervello-colonna vertebrale (BSI) che converte l’attività corticale in modulazione analogica di programmi di stimolazione elettrica epidurale per regolare l’attivazione dei muscoli degli arti inferiori e così riacquistare la posizione eretta e la deambulazione dopo la paralisi dovuta a lesione del midollo spinale.
Discussione
Abbiamo concepito un ponte digitale wireless tra il cervello e il midollo spinale che ripristina il controllo naturale sui movimenti degli arti inferiori per stare in piedi e camminare su terreni complessi dopo una paralisi dovuta a lesione del midollo spinale. Inoltre, la neuroriabilitazione ha mediato miglioramenti neurologici che persistevano anche quando il ponte era spento.
La validazione di questo ponte digitale è stata limitata a un singolo individuo con danno grave ma parziale al midollo spinale e pertanto non è chiaro se l’ interfaccia cervello-colonna vertebrale (BSI) sarà applicabile ad altre sedi e gravità delle lesioni. Tuttavia, diverse osservazioni suggeriscono che questo approccio sarà applicabile a un’ampia popolazione di persone con paralisi. In primo luogo, i principi fisiologici alla base della stimolazione elettrica epidurale mirata del midollo spinale sono stati ora convalidati in nove persone su nove trattate con lesioni incomplete e complete. In secondo luogo, abbiamo sviluppato procedure che supportassero una calibrazione semplice, rapida e stabile del collegamento tra attività corticale e programmi di stimolazione, consentendo al partecipante di utilizzare il BSI a casa senza supervisione. In terzo luogo, robustezza e stabilità comparabili di questa struttura di decodifica cerebrale computazionale e tecnologica sono state ora osservate in altre due persone con tetraplegia. Sebbene la precedente esperienza del partecipante con la stimolazione abbia accelerato l’impostazione del BSI, non prevediamo grossi ostacoli all’implementazione di un BSI in nuovi individui. Infatti, siamo stati in grado di impostare programmi di stimolazione che hanno ripristinato la deambulazione entro un giorno in tre partecipanti con paralisi sensomotoria completa.
Il concetto di un ponte digitale tra cervello e midollo spinale inaugura una nuova era nel trattamento dei deficit motori dovuti a disturbi neurologici.
