Quella che era fantascienza ora è realtà scientifica: con una serie di colpi elettrici mirati al midollo spinale, nove persone paralizzate sono subito tornate a camminare con l'aiuto di un robot. Cinque mesi dopo, la metà dei partecipanti non aveva più bisogno di quegli zap per camminare.
La frase suona un po' familiare? Di per sé, i risultati, sebbene innegabilmente impressionanti e che cambiano completamente la vita, possono sembrare vecchie notizie. Grazie ai miglioramenti nei progetti di impianti cerebrali, l'ultimo decennio ha visto progressi sorprendenti nel ripristinare la mobilità delle persone con paralisi. Nel 2018, un uomo di 29 anni camminato per la lunghezza di un intero campo di calcio grazie a qualche zapping al midollo spinale, dopo anni di paralisi per un incidente in motoslitta. L'anno scorso, stimolazione del midollo spinale aiutato diverse persone con una paralisi completa per passeggiare in una zona trafficata del centro con un deambulatore e un kayak in acque tranquille.
Non c'è dubbio che la stimolazione del midollo spinale abbia trasformato una lesione un tempo irreparabile in una che ora può essere invertita. Ma rimane una domanda incombente: perché funziona?
A nuovo studio in Natura ci ha appena dato degli indizi. Costruendo una mappa molecolare 3D del midollo spinale mentre si riprende da un infortunio, il team ha trovato un misterioso gruppo di neuroni annidato alla sua periferia. Sono peculiari. Normalmente, questi neuroni non sono necessari per camminare. Ma nei casi di lesione del midollo spinale, dopo alcune scosse elettriche esplodono di attività, riorganizzandosi in nuove autostrade neurali che aiutano a ripristinare i movimenti.
Individuare questi neuroni non è solo una curiosità scientifica. Comprendendo come funzionano, potremmo attingere alla loro comunicazione elettrica e al funzionamento molecolare interno per sviluppare trattamenti ancora più sofisticati per la paralisi.
"La quantità di speranza che dà alle persone con lesioni al midollo spinale è incredibile", disse Dr. Marc Ruitenberg dell'Università del Queensland, che non è stato coinvolto nello studio.
Ai dott. Kee Wui Huang ed Eiman Azim del Salk Institute for Biological Sciences, che non erano coinvolti nello studio, i risultati mostrano che affrontare le lesioni del midollo spinale richiede di abbracciare più angolazioni: il miglioramento della tecnologia degli impianti, il cuore degli sforzi precedenti, è solo un lato della storia. L'analisi della neurobiologia del recupero è l'altra metà critica.
Il nuovo studio mostra che "le mappe molecolari ad alta risoluzione del sistema nervoso stanno iniziando a fornire quest'ultimo".
Colmare il divario
Mi piace immaginare il midollo spinale come una ronzante autostrada interstatale. Ogni sezione ha più percorsi nervosi regionali più piccoli che portano a diverse parti del corpo. Come principale linea di informazioni, il midollo spinale trasmette i segnali dal cervello al resto del corpo. Una brutta caduta, un incidente d'auto o un infortunio sportivo possono danneggiare quell'autostrada. Simile a un posto di blocco, il traffico elettrico che invia comandi ai muscoli e riceve feedback sensoriali non può più fluire.
Ma se potessimo colmare artificialmente quei crolli stradali con un impianto?
Circa mezzo decennio fa, gli scienziati hanno iniziato a sperimentare una tecnica chiamata stimolazione elettrica epidurale (EES). Il dispositivo è composto da più elettrodi e inserito appena sopra la membrana più esterna che incapsula e protegge il midollo spinale. Agisce come un ponte artificiale che aggira il punto ferito. Poche scosse possono attivare i neuroni nelle parti sane del midollo spinale e fornire segnali alle vie nervose vicine.
Sebbene sia uno dei pochi trattamenti che ha ottenuto "notevoli cambiamenti nelle prestazioni", EES ha dovuto affrontare molteplici battute d'arresto, hanno affermato Huang e Azim. Uno era il design dell'impianto non ottimale, in quanto non potevano mirare a parti del midollo spinale essenziali per camminare. Un altro era un software alimentato da algoritmi che non stimolavano il midollo spinale in modi che imitassero i suoi impulsi elettrici naturali. Ironia della sorte, quei progetti potrebbero avere "segnali sensoriali interrotti che promuovono il recupero", hanno affermato Huang e Azim.
Dagli uomini ai topi
Per arrivare al nocciolo di come l'EES aiuta le persone a riprendersi dalla paralisi, il nuovo studio ha adottato un approccio non ortodosso: prima hanno testato un dispositivo e un modello di stimolazione nei pazienti con paralisi. Dopo aver confermato il loro miglioramento, il team ha poi ricreato il trattamento nei topi con lesioni simili per inchiodare le cellule responsabili del recupero. Il paradigma è un allontanamento radicale dai tipici procedimenti di ricerca, che iniziano con modelli di topi prima di passare agli esseri umani.
Ma il team, guidato da Drs. Grégoire Courtine, professore di neuroscienze all'EPFL, e Jocelyne Bloch, neurochirurgo all'ospedale universitario di Losanna (CHUV), hanno le loro ragioni. Entrambi gli scienziati non sono estranei alla lotta alla paralisi. Alla guida del NeuroRestore programma, sono stati in prima linea nella progettazione di impianti del midollo spinale per aiutare i pazienti a ritrovare la mobilità.
In questo studio, hanno prima stimolato nove persone con paralisi grave o completa con EES come parte di a sperimentazione clinica. Sei avevano qualche sensazione alle gambe; gli altri tre non ne avevano. Ai due gruppi è stato impiantato un hardware diverso, con il primo che ne ha ricevuto uno adattato per il trattamento del dolore e il secondo sviluppato appositamente per stimolare la deambulazione. Utilizzando uno schema di stimolazione simile ai normali segnali del midollo spinale, i partecipanti hanno immediatamente migliorato o riacquistato la loro capacità di camminare, con l'aiuto di un robot per sostenere il loro peso. Con altri cinque mesi di allenamento, hanno gradualmente imparato a sostenere il proprio peso e potevano persino camminare all'aperto con l'aiuto.
Ma perché? Sorprendentemente, il team ha scoperto che l'EES insieme alla riabilitazione fisica ha ridotto l'energia necessaria per le parti del midollo spinale che controllano la deambulazione. Piuttosto che coinvolgere tutti i neuroni nel midollo spinale, l'EES sembra adattarsi solo a un gruppo selezionato di neuroni, quelli fondamentali per aiutare i pazienti a camminare di nuovo.
Una mappa molecolare del recupero
Cosa sono questi misteriosi neuroni?
Scavando più a fondo, il team ha ripetuto il trattamento nei topi con paralisi (e sì, includeva un robot delle dimensioni di un topo su misura per aiutare a sostenere il loro peso corporeo). Analogamente agli umani, i topi hanno immediatamente riacquistato la capacità di camminare con l'EES attivato .
Mentre si riprendevano, il team ha prelevato campioni dal midollo spinale e ha sequenziato i geni in oltre 80,000 singole cellule da 24 topi per vedere quali geni erano stati attivati. La posizione era fondamentale: l'indagine ha mappato i geni in base alla posizione di ciascuna cellula nel midollo spinale, che insieme hanno formato la prima mappa molecolare del recupero.
Potresti pensare che sia un colosso di un database. Fortunatamente, il team aveva precedentemente sviluppato un algoritmo di apprendimento automaticom che aiuta ad analizzare i dati. Il punto cruciale was per abbinare i profili di espressione genica a determinate cellule in diverse situazioni biologiche. Una particolare popolazione di cellule detto V2a era in piedi fuori. Questi neuroni erano incorporati nella regione del midollo spinale che è particolarmente importante per camminare e, sebbene non fossero necessari per camminare prima dell'infortunio, sembravano aumentare di attività dopo l'EES.
Le cellule V2a sono potenti guardiani del recupero del midollo spinale. Nei test successivi, l'abbassamento della loro attività utilizzando l'optogenetica, un modo per controllare i neuroni con la luce, ha anche smorzato il recupero del midollo spinale.
Mostra che "alcuni tipi di neuroni del midollo spinale che hanno perso i loro input dal cervello dopo la lesione possono essere 'risvegliati' o riutilizzati per ripristinare il movimento se ricevono la combinazione appropriata di stimolazione e riabilitazione", hanno detto Huang e Azim.
Le cellule V2a non sono certo un proiettile d'argento per il trattamento delle lesioni del midollo spinale e della paralisi. Lo studio ha trovato numerosi altri neuroni, con diverse firme genetiche, che si attivano con EES. Il modo in cui il cervello aggira le lesioni del midollo spinale per ricostruire la loro connessione è un mistero ancora più profondo. Non è ancora noto se gli stessi neuroni aiutino a ripristinare altri bisogni corporei quotidiani, ad esempio il controllo della vescica e dell'intestino, ma è il prossimo obiettivo da studiare del team. A tal fine, l'autore principale ha lanciato una startup chiamata IN POI iniziare un nuovo processo nei prossimi due anni.
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