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Il progetto europeo EmbodiedTech, finanziato da Horizon, cerca di rispondere a una domanda cruciale nell’ambito dell’impianto di arti bionici sull’uomo. “Arti artificiali, protesi e pollici extra ripristinano e aggiungono le capacità naturali del nostro corpo, ma come queste nuove parti del corpo vengono accolte dal cervello e dal sistema nervoso?”.
Ce lo spiega questo lungo articolo dal titolo “Helping the body and brain to welcome bionic limbs and implants” scritto da Gareth Willmer sul magazine ufficiale dell’Unione Europea dedicato ai progetti scientifici, Horizon, the EU Research and Innovation magazine e che noi ripubblichiamo volentieri sul nostro sito.
Il concetto di uomo bionico
Non molto tempo fa, il concetto di uomo bionico sembrava inverosimile, ma le tute robotiche indossabili, gli arti supplementari controllati dal cervello e le sedie a rotelle azionate dalla mente sono ora in fase di sviluppo attivo. Il sogno dell’integrazione uomo-macchina è molto più vicino.
“Questo è un momento super eccitante per le tecnologie e i progressi robotici“, ha dichiarato Tamar Makin, neuroscienziato cognitivo dell’Università di Cambridge, Regno Unito. “Stiamo assistendo a arti bionici di livello fantascientifico e a progetti di protesi fuori dagli schemi che non assomigliano a parti del corpo“.
Per alcuni, questa potrebbe sembrare un’idea un po’ inquietante. Ovviamente, la robotica indossabile e gli impianti bionici potrebbero avere molteplici vantaggi come dispositivi medici, ad esempio per migliorare le protesi. Ma oltre a questo, la bionica e la robotica indossabile potrebbero potenzialmente migliorare le capacità delle persone sul posto di lavoro e aumentare la produttività.
A fronte di questi rapidi progressi, la Makin ha affermato che ci si chiede come il corpo umano e il cervello si adattino a questi dispositivi e li assimilino. “Ho avuto l’impressione che una parte importante che viene spesso tralasciata in questa discussione sia il modo in cui il cervello e la cognizione degli utenti si relazioneranno con una parte del corpo artificiale“.
La professoressa Makin è a capo del progetto EmbodiedTech, finanziato da Horizon, per esplorare questioni quali l’efficacia con cui il cervello umano può supportare parti del corpo artificiali. Inoltre, in che misura il cervello inizia a riconoscere un arto artificiale come parte del corpo di una persona? Quanto dipende dall’aspetto di un arto reale? E in che modo il cervello recepisce il feedback dell’arto?
Robotica indossabile e risposta del cervello
Rispondere a queste domande è fondamentale per rendere la robotica indossabile il più semplice possibile e per garantire che il nostro cervello sia in grado di gestirla. Ci sono margini di miglioramento, come indicano alcune stime secondo le quali ben la metà delle persone amputate non usa regolarmente le protesi attuali.
Uno studio condotto dal team della Makin ha utilizzato la risonanza magnetica funzionale (fMRI) sia su persone con una mano mancante che su persone con due mani. È emerso che più una persona usa regolarmente la protesi, più forte è la risposta dell’area cerebrale associata al riconoscimento delle mani alle immagini delle protesi. Gli utilizzatori di protesi avevano anche connessioni neurali più forti tra le aree che consentono di riconoscere e controllare le mani, il che suggerisce che il cervello si è adattato ad assimilare la protesi.
Un altro studio ha rilevato che il cervello degli utilizzatori abituali di protesi sembra rappresentare le protesi come una categoria separata rispetto a una mano o a un utensile. Questo perché reagisce in modo più simile tra le diverse protesi che assomigliano a mani vere e quelle che non le assomigliano – come un gancio meccanico – piuttosto che tra queste e le mani o gli utensili.
I diversi tipi di protesi sono rappresentati in modo simile l’uno all’altro, “quindi sono raggruppati in un’unica categoria“, ha detto il professor Makin. “Il cervello non è assolutamente indotto ad associare queste protesi alle mani biologiche“.
Braccia tentacolari
Secondo la Makin, questa scoperta significa che potrebbe essere meno necessario “incarnare” completamente le protesi di quanto si pensasse in precedenza, ampliando potenzialmente le opportunità della robotica indossabile.
“Non dobbiamo essere schiavi delle soluzioni che già conosciamo”, ha affermato. “Possiamo pensare a materiali completamente nuovi, come le braccia a tentacolo, perché il cervello dovrebbe essere in grado di riconoscerli e adottarli proprio come le protesi bioniche che sono state al centro della progettazione protesica nell’ultimo decennio“.
I risultati suggeriscono anche un maggiore potenziale per l’aumento del corpo umano con arti aggiuntivi. Un esempio è il “terzo pollice” robotico che Dani Clode, collega e progettista di protesi dell’Università di Cambridge, ha progettato per essere legato alla mano sotto il mignolo e controllato da sensori collegati agli alluci dell’utente.
“Non dovremmo avere sei dita, ma sembra che questa sia una soluzione plausibile per il cervello”, ha detto la Makin. “Si potrebbe usare per tenere pronto un altro strumento mentre si salda, o se si sta suonando la chitarra e si ha bisogno di un accordo assurdo“.
In effetti, i partecipanti normodotati che si sono allenati con il dito aggiuntivo sono diventati più abili nell’usarlo e hanno sviluppato nel tempo un maggiore senso dell’embodiment. Tuttavia, un lieve cambiamento nella rappresentazione cerebrale della funzione motoria della mano dopo un uso prolungato ha suggerito anche la necessità di cautela.
“Non dovremmo studiare queste tecnologie isolandole dal corpo“, ha detto Makin. “Dobbiamo essere molto consapevoli dei potenziali effetti collaterali o delle limitazioni dell’uso potenziato sul cervello“.
Interfaccia uomo-macchina
Nell’ambito di altre ricerche finanziate da Horizon, il progetto Living Bionics ha studiato come integrare meglio i dispositivi medici che interagiscono direttamente con il sistema nervoso. Tali dispositivi comprendono la stimolazione cerebrale profonda per il morbo di Parkinson, nonché gli impianti cocleari e gli occhi bionici utilizzati per trattare i disturbi uditivi o visivi.
“Quando si impianta un dispositivo, questo è fondamentalmente molto diverso dal tessuto circostante“, ha dichiarato il dottor Roberto Portillo-Lara, bioingegnere dell’Imperial College di Londra che lavora al progetto. “Stiamo cercando di progettare l’interfaccia tra questi dispositivi impiantabili e i tessuti fisiologici“.
Il problema di molti impianti attuali è che utilizzano metalli che il sistema nervoso riconosce come estranei, ha spiegato. Questo può creare cicatrici e isolare l’impianto, compromettendolo a lungo termine e creando potenziali problemi di sicurezza.
La soluzione potrebbe essere quella di combinare i dispositivi elettronici con polimeri carichi di cellule che mirano a imitare la composizione dei tessuti biologici. Questi vengono trasportati all’interno di un idrogel morbido che può fungere da rivestimento per i dispositivi esistenti o essere utilizzato per crearne di nuovi.
Rivestimenti per impianti bionici
“Stiamo fondendo diverse tecnologie nel campo della scienza dei biomateriali e anche lavorando con le cellule staminali neurali, e le mettiamo insieme per creare rivestimenti di impianti viventi“, ha detto il dottor Portillo-Lara.
Trovare il giusto equilibrio tra polimeri sintetici e naturali è fondamentale, ha spiegato. I polimeri sintetici offrono molti vantaggi perché sono robusti e prevedibili”, ha detto il dottor Portillo-Lara. “I polimeri naturali sono più difficili da lavorare, ma più simili a quelli a cui sono abituate le cellule“.
Dopo aver iniziato con miscele più sintetiche nei test di laboratorio, si è scoperto che la composizione non era molto favorevole alla crescita delle cellule. Ma l’incorporazione di polimeri più naturali nel corso del tempo ha contribuito a ottenere rivestimenti più efficaci.
“La risposta è stata semplice: rendendolo più simile ai tessuti naturali, le cellule si comportano meglio“, ha detto. “Ora è il meglio di entrambi i mondi“. Il dottor Portillo-Lara ritiene che i test più avanzati potrebbero iniziare all’inizio del prossimo anno.
“Come per l’EmbodiedTech, la ricerca ha implicazioni per la tecnologia futura al di là della clinica, anche per controllare con la mente macchine come le sedie a rotelle elettriche. Come interfacciarsi meglio con il sistema nervoso ha implicazioni per le interfacce cervello-computer”, ha detto il dottor Portillo-Lara.
Effetti sul cervello
Ciò significa che è fondamentale capire i possibili effetti sul cervello. “Dobbiamo pensare a cosa succederà quando queste tecnologie diventeranno abbastanza accessibili da indurre non solo i pazienti a voler ricevere uno di questi impianti, ma anche i consumatori abituali“.
Il dottor Portillo-Lara ritiene che tali tecnologie potrebbero essere pronte entro un decennio, anche se prevedere quando saranno disponibili è molto più difficile, viste le sfide legate all’etica e alle normative.
“Le applicazioni sarebbero virtualmente illimitate“, ha affermato. “Ci sono molte applicazioni emergenti che al momento non possiamo nemmeno immaginare perché la tecnologia non esiste“.
La ricerca riportata in questo articolo è stata finanziata dal Consiglio europeo della ricerca (CER) dell’UE. Se vi è piaciuto questo articolo, vi invitiamo a condividerlo sui social media.
Foto di copertina e nel testo di cottonbro da Pexels: https://www.pexels.com/it-it/foto/seduto-innovazione-futuristico-scarpe-8059111/
Foto nel testo di Mikhail Nilov by Pexels: https://www.pexels.com/it-it/foto/giocando-pianoforte-strumento-musicale-artificiale-9475926/