Lesione midollare completa, quattro persone tornano a camminare grazie alla neurostimolazione controllata dal tronco

Quattro persone con una lesione midollare toracica cronica e funzionalmente completa sono riuscite a mantenere la posizione eretta e a camminare con un deambulatore grazie a una nuova modalità di controllo della stimolazione elettrica epidurale del midollo spinale. Il risultato, descritto in uno studio pubblicato su Med di Cell Press, è stato ottenuto senza ricorrere a interfacce cervello-computer, sensori esterni o sistemi di decodifica dei segnali cerebrali.

La strategia si basa su un movimento volontario molto semplice: una lieve estensione del tronco. Il gesto, di circa nove gradi in media, modifica la risposta del sistema nervoso alla stimolazione e consente di passare dall’estensione degli arti inferiori, necessaria per sostenere il peso del corpo, alla flessione coordinata di anca, ginocchio e caviglia necessaria per compiere il passo. In altre parole, il paziente può contribuire direttamente al controllo della locomozione utilizzando una funzione motoria rimasta disponibile dopo la lesione: il movimento del busto.

Il corpo diventa parte dell’interfaccia

Lo studio è stato condotto nell’ambito del Mine Lab (Modular Implantable Neuroprostheses), nato dalla collaborazione tra Università Vita-Salute San Raffaele e Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa e attivo presso l’Irccs Ospedale San Raffaele di Milano. Il gruppo di ricerca è stato guidato da Pietro Mortini, direttore dell’Unità di Neurochirurgia e Radiochirurgia Gamma Knife dell’Irccs Ospedale San Raffaele e professore ordinario di Neurochirurgia all’Università Vita-Salute San Raffaele, e da Silvestro Micera, professore di Bioingegneria alla Scuola Superiore Sant’Anna.

La stimolazione elettrica epidurale del midollo spinale è da tempo studiata come possibile strategia per favorire il recupero di alcune funzioni motorie dopo una lesione midollare. Gli approcci più avanzati hanno combinato la stimolazione con interfacce cervello-midollo, sistemi di decodifica dei segnali neurali e dispositivi progettati specificamente per il singolo paziente.

Il gruppo Mine Lab ha seguito una strada differente, sfruttando una caratteristica osservata durante la stimolazione. A seconda dell’intensità della stimolazione effettivamente ricevuta dalle strutture nervose, gli arti inferiori possono assumere configurazioni motorie differenti: a una determinata risposta prevale l’estensione della gamba, utile a sostenere il peso corporeo; modificando la risposta alla stimolazione, si può invece ottenere la flessione coordinata di anca, ginocchio e caviglia necessaria per avanzare.

Il controllo mediato dal tronco

I ricercatori hanno osservato che questo passaggio può essere indotto volontariamente attraverso una lieve estensione del tronco, senza intervenire sulle impostazioni dello stimolatore. È il principio definito trunk-mediated control (Tmc), o controllo mediato dal tronco.

L’ipotesi è che il movimento del busto modifichi temporaneamente la relazione anatomica tra il midollo spinale e gli elettrodi dello stimolatore, cambiando di conseguenza l’effetto della stimolazione sulle strutture nervose coinvolte nel movimento.

“Dal punto di vista neuroingegneristico, il dato rilevante è che il corpo stesso diventa parte dell’interfaccia di controllo”, spiega Micera. “Non abbiamo bisogno di decodificare un segnale cerebrale o di aggiungere sensori esterni: sfruttiamo l’interazione tra un movimento residuo volontario, la biomeccanica del corpo e la stimolazione del sistema nervoso per generare il comando necessario al passo”.

Lo studio

La nuova modalità di controllo è stata valutata nei primi quattro partecipanti allo studio. Tutti presentavano una lesione midollare traumatica cronica localizzata tra T4 e T7, classificata AIS A o B e funzionalmente completa dal punto di vista motorio. Nessuno era in grado di contrarre volontariamente i muscoli degli arti inferiori. Dopo l’impianto di uno stimolatore midollare disponibile in commercio e quattro mesi di riabilitazione intensiva, tutti e quattro hanno raggiunto la capacità di mantenere la posizione eretta e di camminare con un deambulatore, senza assistenza manuale e senza sistemi di sostegno del peso corporeo.

Il punteggio WISCI II, utilizzato per misurare la capacità di cammino nelle persone con lesione midollare, è passato da 0 a 9 in tutti i partecipanti. Un partecipante ha percorso 132 metri in 42 minuti di cammino continuo. I quattro sono inoltre riusciti ad affrontare curve, pendenze e superfici esterne irregolari. Tre partecipanti hanno raggiunto anche la capacità di mantenere la posizione eretta sostenendosi con una sola mano e utilizzando l’altra per svolgere semplici attività quotidiane.

Il risultato, tuttavia, non equivale al recupero della funzione motoria perduta. Durante lo studio nessuno dei partecipanti ha recuperato la capacità di contrarre volontariamente i muscoli delle gambe. I movimenti degli arti inferiori osservati durante la deambulazione sono stati generati dalla stimolazione elettrica.

La riabilitazione resta centrale

Accanto alla tecnologia, un ruolo fondamentale è stato svolto dal percorso riabilitativo. I partecipanti hanno seguito un training quotidiano, progressivo e individualizzato, guidato dai fisioterapisti, per imparare a utilizzare la stimolazione durante la stazione eretta e la deambulazione.

Il programma è partito dal controllo del tronco e dall’attivazione degli arti inferiori attraverso la neurostimolazione, per arrivare progressivamente alla stazione eretta, al trasferimento del peso e infine al cammino con il deambulatore.

“Il risultato nasce dall’integrazione della stimolazione midollare con un percorso riabilitativo innovativo, intensivo, progressivo e individualizzato, finalizzato a trasformare le risposte motorie evocate dalla stimolazione in capacità funzionali: dalla stazione eretta alle attività della vita quotidiana in piedi, fino al cammino”, sottolinea Sandro Iannaccone, direttore del Dipartimento di Riabilitazione Disturbi Neurologici Cognitivi-Motori dell’Irccs Ospedale San Raffaele.

Una funzione volontaria rimasta integra

Per Mortini, l’elemento più rilevante è proprio la possibilità di utilizzare una funzione volontaria rimasta integra dopo la lesione. “Non stiamo parlando di un recupero della capacità di contrarre volontariamente i muscoli delle gambe: quella capacità è rimasta assente in tutti e quattro i partecipanti. Abbiamo invece trovato un modo per utilizzare una funzione volontaria preservata, il movimento del tronco, per controllare gli effetti della stimolazione e consentire alla persona di partecipare attivamente alla costruzione del passo”.

Il lavoro propone quindi un approccio diverso alla neuroprotesica per la lesione midollare: anziché aggiungere complessi sistemi di interfaccia per tradurre l’intenzione di movimento in comandi per lo stimolatore, sfrutta una capacità motoria residua del paziente e l’interazione tra anatomia, biomeccanica e stimolazione.

Una strategia da verificare su scala più ampia

La semplicità della soluzione potrebbe rappresentare un elemento di interesse in prospettiva traslazionale, ma i risultati devono essere interpretati alla luce delle dimensioni ancora molto ridotte dello studio. Saranno necessari ulteriori partecipanti e studi più ampi per verificare la riproducibilità dell’approccio, la sua efficacia nel lungo periodo e quali caratteristiche della lesione e della funzione residua possano predire la risposta al trattamento.

Nel lavoro non sono stati osservati eventi avversi correlati a disautonomia. Lo studio è stato finanziato da Università Vita-Salute San Raffaele, Boston Scientific, Fondazione Cariplo, Fondazione Bertarelli, NextGenerationEU e Ministero dell’Università e della Ricerca.