Arti bionici: cosa sono e come funzionano le protesi del futuro

Negli ultimi 50 anni la tecnica e la scienza hanno permesso di fare grandi passi avanti nel campo della medicina. Uno degli esempi più avvincenti di questo progresso è quello delle protesi. Le protesi sono componenti artificiali che tentano di sostituire o rendere meno invalidante la mancanza di un organo o di una parte corporea. Essendo quelle più comuni, in questo articolo parleremo principalmente di protesi per gambe e braccia.
Inizialmente queste protesi erano componenti "passive", cioè non controllabili direttamente, mentre oggi si parla di arti bionici più moderni.
Vediamo quali sono le principali tipologie di protesi e quali sono le ultime frontiere della ricerca in questo campo.

Le tipologie di protesi e arti bionici

Come abbiamo accennato la protesi è una componente artificiale che sostituisce un organo, una porzione o (nello specifico) un arto di una persona, intero o in una sua parte. Possedere un vero arto è e sarà sicuramente differente rispetto all'avere un arto bionico, ma grazie alle moderne tecnologie questi arti sono in grado di ricevere input dall'organismo e "rispondere" con degli output, ricreando una situazione che si avvicina alla normalità.
Uno tra i fattori più interessanti e importanti per il successo di un impianto bionico è la cosiddetta "interfaccia organismo-macchina". Cosa vuol dire? L'interfaccia è la superficie di contatto tra la protesi e l'organismo (in questo caso l'arto amputato), ovvero il punto dove avviene uno scambio di segnali, l'attacco dell'impianto bionico.
Al momento la tecnologia ci mette a disposizione tre grandi famiglie di protesi: protesi passive, protesi elettromiografiche e protesi neuromuscoloscheletriche; vediamole brevemente.

Protesi passive

Quelle più semplici sono le protesi passive. Storicamente sono le più diffuse e sono così chiamate perché non sono in grado di compiere movimenti (output) in maniera attiva, né di ricevere input dal corpo. Nelle protesi passive possiamo annoverare la classica gamba di legno del pirata ma anche le gambe dei corridori para-olimpionici: quindi, pur mantenendo l'inattività che le contraddistingue, anche all'interno della categoria stessa assistiamo ad un trend di miglioramento tecnologico col passare degli anni. In questa categoria rientrano ad esempio le protesi rigide e semirigide usate solitamente per gli arti inferiori e che permettono la deambulazione o addirittura la corsa (vedi immagine), ma anche le protesi morbide, come quelle degli arti superiori che cercano di rendere il più possibile reale la consistenza e la fattezza di un braccio.

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Protesi elettromiografiche

Le protesi elettromiografiche sono quelle attualmente più utilizzate. Sono meccanicamente molto più simili ad un arto rispetto alle protesi passive, essendo in grado di compiere una serie di posizioni/combinazioni (anche se in numero limitato) per facilitare alcuni tipi di presa piuttosto che altre. Sono i primi arti bionici propriamente detti in quanto possono ricevere informazioni dal corpo e rispondere con degli output, come farebbe l'arto originale.
Queste protesi oltre a rimpiazzare esteticamente l'arto mancante permettono un incremento della motilità della protesi stessa. Elettromiografica è una parola composta: "elettro" sta per elettricità, essendo l’input trasmesso dal corpo sempre di natura elettrica; “mio” significa muscolo, è da lì che viene inviato l’impulso in questa tipologia; infine "grafica" indica genericamente "tecnica" o "disegno".

Come accennato precedentemente il segnale corporeo che riceve la protesi si basa sui segnali elettrici provenienti dai muscoli dell’arto residuo: tramite precise contrazioni ritmiche del muscolo la persona trasmette inconsapevolmente segnali elettrici alla protesi che, interpretandoli, esegue la stretta (o presa) desiderata.
Queste protesi alzano la qualità della vita: azioni come battere un chiodo o sollevare certi oggetti saranno di nuovo possibili ma ci saranno inevitabilmente due grosse limitazioni: la modulazione ed il feedback. Per quanto possa sembrare banale, una modulazione non è possibile senza un feedback, ovvero un segnale che dalla protesi giunga al nostro cervello e ci permetta di comprendere che cosa stiamo stringendo e con quale intensità.

Ad oggi il limite principale di questi arti bionici è l'impossibilità di ricevere una modulazione dal corpo e di restituire informazioni. Per sopperire a questa mancanza si sta studiando un sistema per sfruttare il sistema nervoso residuo dell'arto amputato collegandolo alla protesi. In questo modo si spera di poter calibrare l'intensità dello stimolo da parte del corpo e permettere il movimento della protesi tramite il pensiero (e quindi il sistema nervoso) e non i muscoli. Capire come collegare il sistema nervoso alla protesi non servirà solo per modulare meglio la forza della presa, ma apre la strada ad un'affascinante possibilità: restituire la sensazione di tatto. Questa "nuova" frontiera è rappresentata dalle protesi neuromuscoloscheletriche.

Protesi neuromuscoloscheletriche

Le protesi neuromuscoloscheletriche rappresentano la massima evoluzione degli arti bionici in quanto sono le prime che tentano di collegare il sistema nervoso alla protesi. Dopo le protesi elettromiografiche queste permettono un passaggio più ardito per avvicinarsi sempre di più alla sensazione di avere e controllare un braccio "vero". “Neuro” sta per sistema nervoso, perché è lui a generare direttamente lo stimolo elettrico grazie a sensori ed elettrodi direttamente collegati ad esso.
Volendo creare un'interfaccia arto-protesi stabile, inizialmente sono state studiate ed impiantate protesi tramite la tecnica dell'osteointegrazione, ovvero la connessione tra osso del paziente e parte metallica della protesi. Questa operazione rendeva stabile il collegamento corpo-protesi permettendo i primi studi sulla connessione sistema nervoso-protesi.

Immaginate di avere una protesi elettromiografica – quelle a controllo muscolare – e di dover prendere un uovo o di voler sapere se l’acqua è calda o fredda…riuscirete sì a toccare, ma non potrete dosare la forza e rispondere con l’arto in maniera appropriata agli stimoli ambientali.
Per porre rimedio a questo inconveniente negli ultimi anni si è iniziato a ricercare un metodo per ripristinare le connessioni nervose presenti nell’arto e collegarle alla protesi tramite materiali biocompatibili ed elettrodi.
Oltre al problema del collegamento tra sistema nervoso e protesi, medici e ricercatori stanno cercando anche di superare il problema dell'unidirezionalità (nella quale l’input dal cervello va direttamente alla protesi). Le ricerche sono volte allo sviluppo di protesi con dei sensori in grado di trasmettere stimoli direttamente al sistema nervoso: in questa maniera si passerebbe da una protesi unidirezionale ad una bidirezionale (dove la protesi può restituire dati e feedback al cervello) migliorando la risposta, restituendo la sensazione parziale di tatto e la naturalità nel movimento. Protesi a collegamento neuronale sono già esistenti, ma i principali svantaggi rimangono la difficoltà di usare un sufficiente numero di elettrodi per captare i segnali corporei e soprattutto la mancanza di un feedback dalla protesi al cervello (Schofield 2020).

Natural Bionics: la nuova frontiera della ricerca 

La ricerca più innovativa nel campo delle protesi è la cosiddetta Natural Bionics, un progetto che mira ad utilizzare il sistema nervoso residuo in una maniera del tutto differente. Questo progetto non ha come obbiettivo quello di collegare il sistema nervoso direttamente alla macchina ma vuole ottenere un'immagine nervosa dell'arto amputato nel cervello…
Idealmente il discorso è simile ai dolori da arto fantasma nelle persone da poco sottoposte ad amputazione. In questi casi i pazienti percepiscono l'arto dolorante nonostante non ci sia più e ciò è possibile perché nel cervello è ancora presente una memoria di attivazione del dolore di quelle zone.

Questo progetto si compone di tre tappe fondamentali, volte a rivoluzionare gli arti bionici attuali:

1. La prima tappa prevede la creazione del manunculus – cioè un lembo di pelle asportato dal corpo del paziente che viene connesso all’arto amputato, chiudendolo, quasi fosse il pezzo di stoffa sopra un barattolo della marmellata. La speranza è che la ri-connessione delle fibre nervose dell'arto residuo con le fibre nervose della pelle asportata formino un’immagine nervosa dell’arto mancante nel nostro cervello, in modo da avere un’interfaccia che, se opportunamente stimolata dalla protesi, invii segnali al cervello. Ciò che si otterrebbe è la restituzione della sensazione di tatto;
2. Il secondo step è per forza di cose la codifica dei segnali di output, bisogna insegnare alla protesi a leggere e decodificare i diversi stimoli che arrivano dal cervello tramite il manunculus;
3.  Infine, si cercherà di sviluppare delle mani artificiali tramite la tecnica soft hand (mano morbida) – tramite l'utilizzo di materiali morbidi e che siano in grado di trasmettere stimoli al manunculus e al cervello.

Bibliografia

Schofield Jonathon S., Shell Courtney E., Beckler Dylan T., Thumser Zachary C., Marasco Paul D. Long-Term Home-Use of Sensory-Motor-Integrated Bidirectional Bionic Prosthetic Arms Promotes Functional, Perceptual, and Cognitive Changes, Frontiers in Neuroscience VOLUME=14, 2020.