I nervi delle gambe attivati dalla luce offrono un nuovo percorso per ripristinare la mobilità: La nuova tecnica optogenetica potrebbe aiutare a ripristinare il movimento degli arti, trattare il tremore muscolare
Per la prima volta, I ricercatori del MIT hanno dimostrato che i nervi fatti per esprimere proteine che possono essere attivate dalla luce possono produrre movimenti delle gambe che possono essere regolati in tempo reale, utilizzando segnali generati dal movimento dell'arto stesso. La tecnica porta a un movimento più fluido e meno faticoso rispetto a sistemi elettrici simili che a volte vengono utilizzati per stimolare i nervi nei pazienti con lesioni del midollo spinale e altri.
Shriya Srinivasan è una dottoranda in ingegneria medica e fisica medica presso il MIT Media Lab e la Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology. Foto: Giacomo giorno
Mentre questo metodo è stato testato su animali, con ulteriori ricerche e prove future sull'uomo, questa tecnica optogenetica potrebbe essere utilizzata un giorno per ripristinare il movimento nei pazienti con paralisi, o per trattare i movimenti indesiderati come il tremore muscolare nei pazienti con morbo di Parkinson, disse Shriya Srinivasan, uno studente di dottorato in ingegneria medica e fisica medica presso il MIT Media Lab e l'Harvard-MIT Program in Health Sciences and Technology.
Le prime applicazioni della tecnologia potrebbero essere il ripristino del movimento degli arti paralizzati o l'alimentazione di protesi, ma un sistema optogenetico ha il potenziale per ripristinare la sensazione degli arti, disattivare i segnali di dolore indesiderati o trattare i movimenti muscolari spastici o rigidi in malattie neurologiche come la sclerosi laterale amiotrofica o la SLA, Srinivasan e i suoi colleghi suggeriscono.
Il team del MIT è uno dei pochissimi gruppi di ricerca che utilizzano l'optogenetica per controllare i nervi al di fuori del cervello, ha detto Srinivasan. “La maggior parte delle persone usa l'optogenetica come una sorta di strumento per conoscere i circuiti neurali, ma pochissimi lo considerano uno strumento terapeutico clinicamente traducibile come noi”.
“La stimolazione elettrica artificiale dei muscoli spesso provoca affaticamento e scarsa controllabilità. in questo studio, abbiamo mostrato una mitigazione di questi problemi comuni con il controllo muscolare optogenetico,disse Hugh Herr, che ha guidato il team di ricerca e dirige il gruppo Biomechatronics di Media Lab. "Questo è una grande promessa per lo sviluppo di soluzioni per i pazienti che soffrono di condizioni debilitanti come la paralisi muscolare".
Il carta è stato pubblicato nel dic. 13 problema di Comunicazioni sulla natura. Il team comprendeva ricercatori del MIT Benjamin E. Maimon, Maurizio Diaz, e Hyungeun Song.
Luce contro elettricità
La stimolazione elettrica dei nervi viene utilizzata clinicamente per trattare la respirazione, intestino, Vescica urinaria, e disfunzione sessuale nei pazienti con lesioni del midollo spinale, nonché per migliorare il condizionamento muscolare nelle persone con malattie degenerative muscolari. La stimolazione elettrica può anche controllare gli arti paralizzati e le protesi. In tutti i casi, gli impulsi elettrici forniti alle fibre nervose chiamate assoni attivano il movimento nei muscoli attivati dalle fibre.
Questo tipo di stimolazione elettrica affatica rapidamente i muscoli, può essere doloroso, ed è difficile mirare con precisione, tuttavia, portando scienziati come Srinivasan e Maimon a cercare metodi alternativi di stimolazione nervosa.
La stimolazione optogenetica si basa su nervi che sono stati geneticamente modificati per esprimere proteine di alghe fotosensibili chiamate opsine. Queste proteine controllano i segnali elettrici come gli impulsi nervosi, essenzialmente, accendendoli e spegnendoli — quando sono esposti a determinate lunghezze d'onda della luce.
Utilizzando topi e ratti progettati per esprimere queste opsine in due nervi chiave della gamba, i ricercatori sono stati in grado di controllare il movimento su e giù dell'articolazione della caviglia dei roditori accendendo un LED che era attaccato sulla pelle o impiantato all'interno della gamba.
Questa è la prima volta che un sistema optogenetico "a circuito chiuso" è stato utilizzato per alimentare un arto, hanno detto i ricercatori. I sistemi a circuito chiuso cambiano la loro stimolazione in risposta ai segnali dei nervi che stanno attivando, al contrario dei sistemi "a circuito aperto" che non rispondono al feedback del corpo.
Nel caso dei roditori, diversi segnali tra cui l'angolo dell'articolazione della caviglia e i cambiamenti nella lunghezza delle fibre muscolari erano il feedback utilizzato per controllare il movimento della caviglia. È un sistema, disse Srinivasan, "che in tempo reale osserva e riduce al minimo l'errore tra ciò che vogliamo che accada e ciò che sta realmente accadendo."
Passeggiata contro sprint
La stimolazione optogenetica ha anche portato a un minore affaticamento durante il movimento ciclico rispetto alla stimolazione elettrica, in un modo che ha sorpreso il gruppo di ricerca. Negli impianti elettrici, gli assoni di grande diametro vengono attivati per primi, insieme ai loro muscoli grandi e affamati di ossigeno, prima di passare ad assoni e muscoli più piccoli. La stimolazione optogenetica funziona in modo opposto, stimolando gli assoni più piccoli prima di passare a fibre più grandi.
“Quando cammini lentamente, stai solo attivando quelle piccole fibre, ma quando corri uno sprint, stai attivando le grandi fibre,” ha spiegato Srinivasan. “La stimolazione elettrica attiva prima le fibre grandi, quindi è come se stessi camminando ma stai usando tutta l'energia necessaria per fare uno sprint. È rapidamente faticoso perché stai usando molta più potenza del necessario. "
Gli scienziati hanno anche notato un altro modello curioso nel sistema stimolato dalla luce che era diverso dai sistemi elettrici. “Quando abbiamo continuato a fare questi esperimenti, soprattutto per lunghi periodi di tempo, abbiamo visto questo comportamento davvero interessante,Srinivasan ha detto. “Siamo abituati a vedere che i sistemi funzionano davvero bene, e poi la fatica nel tempo. Ma qui l'abbiamo visto funzionare davvero bene, e poi si è stancato, ma se abbiamo continuato a funzionare più a lungo, il sistema si è ripreso e ha ripreso a funzionare bene".
Questo rimbalzo inaspettato è correlato al modo in cui l'attività dell'opsina scorre nei nervi, in un modo che consenta all'intero sistema di rigenerarsi, conclusero gli scienziati.
Con meno fatica coinvolta, il sistema optogenetico potrebbe essere un buon futuro adatto per operazioni motorie a lungo termine come esoscheletri robotici che consentono ad alcune persone con paralisi di camminare, o come strumenti di riabilitazione a lungo termine per persone con malattie muscolari degenerative, Suggerì Srinivasan.
Per il metodo per fare il salto negli esseri umani, i ricercatori devono sperimentare i modi migliori per fornire luce ai nervi in profondità all'interno del corpo, oltre a trovare modi per esprimere le opsine nei nervi umani in modo sicuro ed efficiente.
“Ce ne sono già alcuni 300 prove che utilizzano la terapia genica, e alcune prove che usano oggi le opsine, quindi è probabile nel prossimo futuro,disse Srinivasan.
fonte: http://news.mit.edu, di Becky Ham
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