Attivazione di movimenti funzionali efficaci della mano in individui con tetraplegia completa attraverso la stimolazione neurale

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 16189 (2022) Citare questo articolo

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Gli individui con lesione completa del midollo spinale cervicale soffrono di una paralisi permanente degli arti superiori che impedisce loro di svolgere la maggior parte delle attività della vita quotidiana. Abbiamo sviluppato una soluzione neuroprotesica per ripristinare la funzione motoria della mano. La stimolazione elettrica dei nervi radiale e mediano mediante due elettrodi epineurali ha consentito movimenti funzionali delle mani paralizzate. Abbiamo dimostrato in due partecipanti con tetraplegia completa che la stimolazione selettiva dei fasci nervosi mediante la diffusione ottimizzata della corrente sui contatti attivi degli elettrodi epineurali multicontatto ha indotto movimenti di presa funzionali e potenti che sono rimasti stabili durante i 28 giorni dall'impianto. Abbiamo anche dimostrato che i partecipanti erano in grado di innescare l’attivazione dei movimenti del loro arto paralizzato utilizzando un’interfaccia intuitiva controllata da azioni volontarie e che erano in grado di eseguire movimenti funzionali utili come tenere una lattina e bere con una cannuccia.

L'incidenza delle lesioni del midollo spinale (SCI) nell'Europa occidentale e negli Stati Uniti è stimata rispettivamente in 16 e 40 casi per milione1. Le LM possono avere un impatto devastante sulla salute, sull’autonomia e sulla qualità della vita dei pazienti. Gli ausili tecnici (ad esempio, sedie a rotelle motorizzate, ortesi, letti elettrici medicali, tavole di trasferimento, domotica, ecc.) possono restituire una certa indipendenza alle persone con tetraplegia, ma il recupero delle funzioni degli arti superiori è ancora la priorità per il recupero funzionale espressa dai pazienti2,3, 4,5,6. Infatti, la maggior parte delle attività della vita quotidiana vengono svolte attraverso movimenti delle mani e quindi il ripristino delle capacità motorie attive dell'avambraccio, della mano e del polso consentirebbe una maggiore autonomia e quindi una migliore qualità della vita. In assenza di soluzioni per la riparazione del midollo spinale, oggi sono disponibili solo risposte parziali. Abbiamo quindi proposto un'innovazione rivoluzionaria basata sulla stimolazione neurale selettiva che, ad oggi, è la prima a indurre movimenti sinergici della mano con un solo elettrodo sul nervo mediano e un elettrodo sul nervo radiale. In effetti, altri approcci forniscono soluzioni parziali o molto più complesse. La chirurgia funzionale è comunemente utilizzata7,8 e più recentemente si è tentato di trasferire i nervi per reinnervare i muscoli paralizzati e riprendere il controllo volontario della mano9,10. Tuttavia, entrambi i metodi richiedono un numero sufficiente di muscoli o nervi che sono ancora sotto controllo volontario. Anche i muscoli trasferiti e i restanti muscoli agonisti devono essere sufficientemente forti da garantire un recupero efficace11,12. Una parte della popolazione tetraplegica non è quindi eleggibile alla chirurgia funzionale convenzionale. L'alternativa è utilizzare ausili tecnici basati sulla stimolazione elettrica funzionale (FES) o su ortesi13.

La sola FES, impiantata o esterna, può essere utilizzata in modo efficiente, a condizione che i muscoli paralizzati sub-lesionali siano ancora innervati da motoneuroni intatti14. Una delle prime applicazioni della FES per recuperare il movimento della mano fu riportata da Catton e Backhouse nel 1954. La FES fu successivamente utilizzata per recuperare i movimenti di presa in pazienti con tetraplegia elevata già nel 196315,16,17. Questi dispositivi utilizzavano elettrodi intramuscolari o epimisiali, richiedendo un elettrodo per ciascun muscolo coinvolto nel movimento bersaglio. La FES superficiale non invasiva può anche fornire movimenti della mano ma con accesso limitato ai muscoli profondi o ai muscoli dedicati al pollice (ad esempio Abductor Policis Brevis). Gli elettrodi di superficie necessitano di un posizionamento accurato giorno dopo giorno per ottenere movimenti funzionali affidabili senza ricalibrazione. Infine, il posizionamento degli elettrodi superficiali è soggetto a movimenti relativi alla pelle. Per superare in parte questi problemi è stato proposto il fissaggio degli elettrodi sull'indumento14. Tuttavia, la maggior parte dei dispositivi FES esterni non è stata utilizzata su larga scala a causa della rigidità degli indumenti, della mancanza di personalizzazione o della limitazione a gruppi incompleti o con controllo del polso18. Quindi questi dispositivi sono piuttosto utilizzati per la riabilitazione e il rinforzo14 senza nuovi dispositivi, come riportato in una revisione molto recente19. Gli array di elettrodi di superficie20,21 possono fornire una serie di movimenti funzionali più flessibile e più ampia ma sono chiaramente limitati, nella loro forma attuale, all'uso in laboratorio poiché richiedono una calibrazione quotidiana sotto la supervisione di un fisioterapista esperto. Anche Ajiboye et al.22 hanno fornito una ricca serie di movimenti, ma attraverso un set di elettrodi percutanei altamente invasivi (n. 36) che difficilmente potevano essere tradotti in un'ampia pratica clinica. Entrambi i dispositivi, esterni o percutanei, sono molto limitati in termini di accettabilità, sicurezza ed efficienza e quindi non vengono utilizzati dai pazienti nel contesto della vita quotidiana, anche se è possibile ottenere un ricco repertorio di movimenti. L'unico dispositivo di successo proposto e ampiamente utilizzato è stato FreeHand®: più di 250 pazienti23 lo hanno impiantato con successo con evidenti benefici, dimostrando l'interesse di una tale soluzione tecnologica per il recupero dei movimenti della mano24. Sono stati impiantati fino a 12 elettrodi muscolari per attivare vari compiti manuali. Una versione di ricerca ha tentato di sostituire diversi elettrodi muscolari con un unico elettrodo neurale a 4 contatti25. Durante un test acuto intraoperatorio nell'ambito di un intervento chirurgico programmato, i risultati sulla selettività sono rimasti limitati, a causa dell'approccio adottato basato su una scansione monopolare dei diversi contatti degli elettrodi. La stessa equipe ha provato su 2 pazienti l'utilizzo di elettrodi epineurali per attivare un maggior numero di movimenti in tutto l'arto superiore. Infatti, agli elettrodi intramuscolari sono stati aggiunti 6 elettrodi epineurali (14 sul paziente 1 e 15 sul paziente 2), il che ha comportato una configurazione molto ingombrante con 2 generatori di impulsi impiantati26. Tuttavia, hanno testato ulteriormente un paradigma di corrente di pilotaggio semplificato con l’elettrodo epineurale e hanno mostrato stabilità e maggiore selettività rispetto alla stimolazione intramuscolare27.