Camminare in modo naturale dopo una lesione al midollo spinale utilizzando il cervello

Natura volume 618, pagine 126–133 (2023) Citare questo articolo

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Una lesione del midollo spinale interrompe la comunicazione tra il cervello e la regione del midollo spinale che produce la deambulazione, provocando la paralisi1,2. Qui, abbiamo ripristinato questa comunicazione con un ponte digitale tra il cervello e il midollo spinale che ha consentito a un individuo con tetraplegia cronica di stare in piedi e camminare in modo naturale in contesti comunitari. Questa interfaccia cervello-colonna vertebrale (BSI) è costituita da sistemi di registrazione e stimolazione completamente impiantati che stabiliscono un collegamento diretto tra i segnali corticali3 e la modulazione analogica della stimolazione elettrica epidurale mirata alle regioni del midollo spinale coinvolte nella produzione del cammino4,5,6. Una BSI altamente affidabile viene calibrata in pochi minuti. Questa affidabilità è rimasta stabile per un anno, anche durante l'uso indipendente a casa. Il partecipante riferisce che il BSI consente il controllo naturale sui movimenti delle gambe per stare in piedi, camminare, salire le scale e persino attraversare terreni complessi. Inoltre, la neuroriabilitazione supportata dal BSI ha migliorato il recupero neurologico. Il partecipante ha riacquistato la capacità di camminare con le stampelle in superficie anche quando il BSI era spento. Questo ponte digitale stabilisce una struttura per ripristinare il controllo naturale del movimento dopo la paralisi.

Per camminare, il cervello invia comandi esecutivi ai neuroni situati nel midollo spinale lombosacrale7. Sebbene la maggior parte delle lesioni del midollo spinale non danneggi direttamente questi neuroni, l'interruzione dei percorsi discendenti interrompe i comandi derivati ​​dal cervello necessari affinché questi neuroni possano camminare8. La conseguenza è la paralisi permanente.

Abbiamo precedentemente dimostrato che la stimolazione elettrica epidurale mirata alle singole zone di ingresso della radice dorsale del midollo spinale lombosacrale consente la modulazione di specifici pool motori delle gambe9,10,11,12. A sua volta, il reclutamento di queste zone di ingresso della radice dorsale con sequenze spaziotemporali preprogrammate replica l'attivazione fisiologica dei pool motori delle gambe alla base della posizione eretta e del camminare4,5,11,13,14. Queste sequenze di stimolazione hanno ripristinato la posizione eretta e la deambulazione di base nelle persone con paralisi dovuta a una lesione del midollo spinale. Tuttavia, questo recupero richiedeva sensori di movimento indossabili per rilevare le intenzioni motorie dai movimenti residui o strategie compensative per avviare le sequenze di stimolazione preprogrammate5. Di conseguenza, il controllo della deambulazione non veniva percepito come del tutto naturale. Inoltre, i partecipanti hanno mostrato una capacità limitata di adattare i movimenti delle gambe ai cambiamenti del terreno e alle richieste volitive.

Qui, suggeriamo che un ponte digitale13,15,16,17,18,19 tra il cervello e il midollo spinale consentirebbe il controllo volitivo sui tempi e sull'ampiezza dell'attività muscolare, ripristinando un controllo più naturale e adattivo della posizione eretta e del camminare nelle persone con paralisi dovuta a lesione del midollo spinale.

Per stabilire questo ponte digitale, abbiamo integrato due sistemi completamente impiantati che consentono la registrazione dell'attività corticale e la stimolazione del midollo spinale lombosacrale in modalità wireless e in tempo reale (Fig. 1a).

a, Due impianti corticali composti da 64 elettrodi sono posizionati epiduralmente sopra la corteccia sensomotoria per raccogliere segnali ECoG. Un'unità di elaborazione predice le intenzioni motorie e traduce queste previsioni nella modulazione di programmi di stimolazione elettrica epidurale mirati alle zone di ingresso della radice dorsale del midollo spinale lombosacrale. Le stimolazioni vengono erogate da un generatore di impulsi impiantabile collegato a un elettrocatetere a piastre a 16 elettrodi. b, Immagini che riportano la pianificazione preoperatoria delle posizioni degli impianti corticali e la conferma postoperatoria. L, sinistra; R, giusto. c, Modello computazionale personalizzato che prevede la localizzazione ottimale dell'elettrocatetere per colpire le zone di ingresso della radice dorsale associate ai muscoli degli arti inferiori e conferma postoperatoria.