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Su Science Robotics il progetto Sensibilia dell'Università Campus Bio-Medico di Roma e del Centro Protesi INAIL di Vigorso di Budrio

21 febbraio 2019 – Prendere una bottiglietta d’acqua da un tavolino, percependone forma, dimensioni e consistenza; impugnarla e lasciarla scivolare dolcemente per versarne il giusto contenuto in un bicchiere; quindi rimetterla a posto sul tavolo e lasciare delicatamente la presa, senza danneggiarla o rischiare di far cadere bottiglia e liquido: gesti apparentemente semplici e naturali, che tuttavia ciascuno di noi ha appreso durante l’infanzia, nel corso di anni di ‘training’, e che risultano praticamente impossibili da eseguire per chi ha perso una mano e la sensibilità tattile.

Azioni che, grazie a una sperimentazione condotta da bioingegneri, ingegneri, medici e tecnici dell’Università Campus Bio-Medico di Roma e del Centro Protesi Inail di Vigorso di Budrio (BO), sono tornate ad essere realtà per Clara, una giovane amputata che ha così potuto gustare nuovamente sensazioni dimenticate da tempo, tra cui la sensibilità tattile lungo dita e palmo della mano. Grazie a questo team, formato tra gli altri da Vincenzo Denaro, Vincenzo Di Lazzaro, Giovanni Di Pino, Silvia Sterzi, Loredana Zollo per l’Università Campus Bio-Medico e Simona Castellano, Angelo Davalli, Emanuele Gruppioni, Rinaldo Sacchetti per INAIL, Clara ha potuto dimostrare che è possibile ritrovare la destrezza nel compiere movimenti complessi con la mano che aveva perso – a causa di un incidente domestico – oltre 30 anni prima. Un trauma, questo, che ha portato Clara, quarantenne della provincia di Palermo, a rifiutare d’indossare ogni tipo di mano artificiale che non fosse puramente estetica.

Fino a quando non ha accettato di essere inserita nel progetto sperimentale ‘Sensibilia’, promosso da Inail e UCBM e i cui risultati sono stati appena pubblicati sulla rivista scientifica Science Robotics (10.1126/scirobotics.aau9924). Il progetto è l’ultimo passaggio di circa quindici anni di approfondimento e poi di sperimentazione in quest’ambito, che è stato avviato dallo storico LifeHand (2008), in cui per la prima volta un paziente è riuscito a muovere un arto bionico attraverso impulsi cerebrali, proseguito nel 2013 con LifeHand2, che ha avviato la ricerca sulla trasmissione di sensibilità tattile. Il tutto con una forte integrazione e interdisciplinarità tra medici e bioingegneri, da sempre caratteristica di Università Campus Bio-Medico di Roma, che nella partnership con INAIL aggiunge un interesse particolare per il trasferimento dei risultati sperimentali dai laboratori ai pazienti amputati.

Per consentirle di essere ‘connessa’ agli arti bionici utilizzati nei test – una mano sperimentale e una commerciale, entrambe poliarticolate e con alte capacità di movimento indipendente delle dita e di restituzione dei feedback tattili, grazie a 6 elettrodi neurali – Clara è stata sottoposta a un delicato intervento chirurgico all’interno del Policlinico Universitario Campus Bio-Medico. Qui, un team di neurochirurghi e ortopedici, con l’ausilio costante di neurologi e bioingegneri, le ha inserito due elettrodi intraneurali e un ‘cuff’ (elettrodi perineurali, cioè installati intorno ai nervi) per ciascuno dei nervi mediano e ulnare presenti nel braccio sinistro: le interfacce, sottilissime, hanno consentito la restituzione – in tempo reale, attraverso speciali algoritmi – delle sensazioni tattili e di movimento dell’arto bionico al cervello tramite il sistema nervoso periferico. Proprio ciò che accade a tutti noi quando afferriamo, muoviamo, tocchiamo un oggetto con la mano. Nel caso di Clara, il merito è della scienza.

Con l’obiettivo di riuscire ad avvicinarsi a questo livello di accuratezza nel controllo manipolatorio, Clara in 11 lunghe settimane ha prima ‘reimparato’ a produrre nel proprio cervello il movimento dell’arto perduto, stimolando aree corticali inattive da tempo; quindi, ha affinato le proprie capacità di ricezione delle sensazioni tattili, riuscendo a percepirle in ben 13 differenti zone della mano artificiale, sia anteriormente che posteriormente. Infine, si è esercitata accanto ai ricercatori per ripristinare le proprie capacità di manipolazione fine degli oggetti, stavolta attraverso la mano artificiale, riuscendo a muoverla con una destrezza crescente (salita del 25,7% dal primo giorno di test) e fino ad oggi sconosciuta a tutte le precedenti sperimentazioni nel mondo. Al punto da essere in grado – bendata e con la musica al massimo volume nelle orecchie – di riconoscere e padroneggiare consistenze e posizioni degli oggetti nella mano, fino a riuscire a ‘provare’ la sensazione dello scivolamento di essi lungo le dita e il palmo artificiali (con un ritardo al di sotto dei 100 millisecondi, come avviene nel controllo sensori-motorio biologico), così da essere in grado di correggere in corsa eventuali prese maldestre.

Ed è proprio grazie al ritrovato feedback tattile che il miglioramento delle capacità di manipolazione è andato di pari passo a una ritrovata capacità cerebrale di apprendere e di utilizzare il feedback sensoriale per controllare il movimento. Una novità che fa ben sperare, in vista dell’utilizzo di protesi sempre più evolute.

Un passo in avanti importante nel percorso verso un utilizzo il più possibile ‘naturale’ e ‘tollerabile’ di una mano biomeccatronica, la cosiddetta mano bionica, da parte di un amputato, impossibile senza un adeguato supporto del feedback sensoriale per il soggetto, come dimostrato da ‘Sensibilia’. Un risultato che, aggiungendo l’ausilio di vista e udito, com’è tipico nel contesto della vita di tutti i giorni, fa ipotizzare ai ricercatori la possibilità di ottenere prestazioni e tempi di reazione potenzialmente ancora migliori, sempre più comparabili con l’arto naturale.

 “L’obiettivo che ci siamo posti per questa sperimentazione – sottolinea Loredana Zollo, professore associato di Bioingegneria e responsabile ingegneristica del progetto – è stato quello di sviluppare e rendere fruibile in 36 mesi un sistema protesico che avesse una capacità di controllo sensori-motorio basato sulla comunicazione bidirezionale con il sistema nervoso e la sensibilità tattile, tale da consentire il riapprendimento delle abilità manuali fini e la manipolazione degli oggetti, nonché la possibilità di restituire il senso del tatto al paziente attraverso le interfacce neurali impiantate nei suoi nervi. Il risultato finale ci sembra positivo e schiude nuovi scenari nelle prospettive di impianto di arti bionici, probabilmente anche attraverso nuove tecnologie non invasive, per tanti pazienti del Centro Protesi INAIL come Clara”.

Per raggiungere gli obiettivi del progetto Sensibilia – precisa Rinaldo Sacchetti, direttore tecnico e ricerca del Centro Protesi INAIL – sono stati approfonditi gli avanzamenti scientifici, tecnologici e clinici sui sistemi protesici per l'arto superiore, concentrandosi sullo sviluppo di soluzioni avanzate di interfacciamento e controllo avanzate per rendere tali sistemi più accessibili e migliorare le prestazioni nelle attività della vita quotidiana. La più importante novità del nuovo studio sta nell’essere riusciti a sviluppare tre sottosistemi paralleli di controllo della mano protesica, di sensorizzazione tattile e di interfacciamento verso il sistema nervoso periferico, consentendo così di ottenere una maggiore destrezza nell’utilizzo della protesi. Dal punto di vista tecnologico, è stata necessaria un’intensa attività di miniaturizzazione dei componenti protesici e di sviluppo di algoritmi in grado di decodificare il segnale elettromiografico espresso dalla giovane donna e di tradurlo in feedback e movimento”.

E, in effetti, Clara il suo obiettivo parziale lo ha raggiunto: poche settimane dopo la conclusione del progetto, in vista del futuro follow-up, ha ricevuto una protesi di mano bionica intelligente simile a quelle della sperimentazione, che utilizza quotidianamente attraverso elettrodi miografici di superficie, in grado di percepire i movimenti muscolari dell’arto amputato e decodificare il movimento voluto per riuscire a muoversi con destrezza.

In attesa che anche la sensibilità tattile venga resa disponibile dagli scienziati attraverso le tecnologie disponibili, la scelta di Clara testimonia che grazie a ‘Sensibilia’ si sono aperte nuove e inedite prospettive per tante persone amputate in Italia e nel mondo: la capacità di accettare una mano artificiale simile a quella di Clara, con la possibilità d’imparare a utilizzarla e viverla come se fosse l’arto che non si ha più, da oggi è una realtà.