Todd Kuiken: Un braccio protesico che "sente"

Oggi vi vorrei parlare della bionica, termine popolare che indica la scienza della sostituzione di parti di organismi viventi con congegni meccatronici, ossia con dei robot. Praticamente è la materia della vita che incontra la macchina. E in particolare vi vorrei parlare di come si stia evolvendo la bionica per chi ha subito l'amputazione del braccio.

E' questa la nostra motivazione. L'amputazione di un braccio è molto invalidante. Voglio dire, capiamo cosa significhi perdere certe funzioni. Le mani sono degli strumenti straordinari. E se se ne perde una, per non dire due, è molto più difficile riuscire a compiere le normali operazioni quotidiane. E c'è anche da considerare l'enorme impatto emotivo. Infatti passo molto tempo in clinica ad affrontare i problemi emotivi dei miei pazienti, oltre a quelli fisici. E infine c'è anche un profondo impatto sociale. Noi parliamo con le nostre mani. Salutiamo. Interagiamo col mondo fisico servendoci di esse. E se mancano si creano barriere. Di solito una mano viene amputata in seguito a un trauma, magari provocato da incidenti sul lavoro, da incidenti automobilistici oppure da conflitti armati. Ma ci sono anche bambini che nascono senza braccia, si tratta di assenza congenita di arti.

Purtroppo non riusciamo a fare cose fantastiche con le protesi degli arti superiori. Ce ne sono di due tipi. Sono le protesi azionate direttamente dal corpo, ideate al termine della Guerra Civile e migliorate nel corso delle due guerre mondiali. Questo è il brevetto di un braccio artificiale del 1912. Non è molto diverso da quello che indossa questo mio paziente. Funzionano sfruttando l'energia della spalla. Così quando si contraggono le spalle, queste azionano un cavo di bicicletta. E il cavo apre o chiude una mano o una pinza o piega un gomito. Li usiamo ancora oggi perché sono molto robusti e relativamente semplici da gestire.

Tra gli sviluppi più recenti abbiamo le protesi mioelettriche. Sono dei congegni motorizzati che vengono controllati da piccoli segnali elettrici provenienti dal muscolo. Ogni volta che si contrae il muscolo, questo emette dell'elettricità che può essere captata con antenne o elettrodi e usata per far funzionare i motori della protesi. Funzionano abbastanza bene per chi ha perso una mano, perché i muscoli che muovono la mano sono ancora presenti. Quando si chiude il pugno i muscoli si contraggono. Lo stesso quando si riapre la mano. Dunque è intuitivo e funziona bene.

E per quanto riguarda livelli di amputazione maggiori? Parliamo della perdita di tutto l'arto superiore. Non ci sono più muscoli, né gomito né mano. Che si fa? Beh, i nostri pazienti devono far uso di sistemi un po' macchinosi per usare i muscoli del braccio e azionare l'arto robotico. Parliamo di arti robotici. Ce ne sono di diversi tipi sul mercato, qui ne vedete alcuni. Sono costituiti da una mano apribile, un rotatore di polso e un gomito. Non ci sono altre funzioni. Se ce ne fossero, come potremmo farle eseguire?

Noi abbiamo costruito un nostro braccio al Rehab Institute di Chicago a cui abbiamo aggiunto la flessione del polso e le articolazioni della spalla con sei motori, per avere sei gradi di libertà. Abbiamo avuto l'opportunità di lavorare con degli arti molto avanzati, messi a disposizione dalle forze armate statunitensi, che arrivavano a 10 diversi gradi di libertà compreso il movimento delle mani. Ma in ultima analisi come facciamo a dire a questi arti cosa fare? Come li controlliamo? Beh, abbiamo bisogno di un'interfaccia neurale, qualcosa per collegarli al sistema nervoso o al nostro pensiero così che il movimento sia intuitivo, naturale come accade per noi.

Bene, il movimento del corpo inizia da un comando impartito dal cervello, che scende nel midollo spinale fino ai nervi e al sistema periferico. E la nostra sensazione va in modo opposto. Appena vi toccate parte uno stimolo che fa il viaggio a ritroso fino ad arrivare al cervello. Quando si perde un braccio, quel sistema nervoso funziona ancora. Quei nervi possono comunicare dei segnali di comando. E se tocco la terminazione nervosa di un veterano della II guerra mondiale lui può ancora sentire la mano mancante. Mi potreste dire, potremmo inserire qualcosa nel cervello per registrare i segnali, oppure nella terminazione nervosa e registrarli lì. Queste sono aree di ricerca veramente interessanti, ma è molto, molto difficile. Dovreste poter inserire centinaia di fili microscopici collegati a quei singoli piccoli neuroni -- fibre ordinarie che emettono piccolissimi segnali, i microvolt. Troppo complicato sia per me che per i miei pazienti.

Perciò abbiamo usato un approccio diverso. Usiamo un amplificatore biologico per amplificare i segnali che arrivano dai nervi: i muscoli. I muscoli amplificano i segnali dei nervi di circa 1000 volte, così che li possiamo registrare al livello della pelle, come avete visto prima. Abbiamo chiamato il nostro approccio reinnervazione mirata. Pensate, se abbiamo una persona che ha perso tutto il braccio, abbiamo ancora quattro nervi principali che vanno verso il braccio. Allora spostiamo i nervi dal muscolo del petto e vi infiliamo i quattro nervi. Adesso basta pensare "Chiudi la mano", e una piccola parte del petto si contrae. Pensi "Piega il gomito" e si contrae un'altra zona del petto. E possiamo usare elettrodi o antenne che captano il segnale e dicono al braccio di muoversi. Questa è l'idea.

Questo è il primo paziente su cui l'abbiamo provato. Si chiama Jesse Sullivan. E' un uomo benedetto -- un operaio di 54 anni addetto ai cavi elettrici che ha toccato il filo sbagliato; la corrente gli ha bruciato le braccia al punto da rendere necessaria l'amputazione dalla spalla. Jesse venne da noi al RIC per essere equipaggiato con questi congegni all'avanguardia, ed eccolo qui. Sto ancora usando la vecchia tecnologia del cavo di bicicletta, sul lato destro. E Jesse seleziona le articolazioni che vuole muovere agendo sugli interruttori. A sinistra indossa una moderna protesi motorizzata, con quelle tre articolazioni, e lui agisce su delle piccole placche sulla spalla che fanno muovere il braccio. Jesse è un bravo gruista, e per i nostri standard andava molto bene.

Ha avuto bisogno di un intervento di aggiustamento al petto. Questo ci ha dato l'opportunità di praticare la reinnervazione mirata. Il mio collega, il Dott. Greg Dumanian, ha eseguito l'intervento. Per prima cosa abbiamo asportato il nervo del muscolo, poi abbiamo preso i nervi del braccio e li abbiamo riposizionati nel petto, e poi abbiamo richiuso. Dopo circa tre mesi i nervi erano già cresciuti e c'erano deboli contrazioni. E dopo sei mesi i nervi erano cresciuti bene e le contrazioni erano belle forti. Ecco quello che succede. Ecco cosa avviene quando Jesse pensa di aprire e chiudere la mano, o di flettere il gomito. Potete vedere il movimento del muscolo pettorale, e tutti quei piccoli segni indicano dove abbiamo inserito antenne o elettrodi. Sfido chiunque tra voi a muovere il petto in questo modo. Il suo cervello pensa al braccio. Non ha imparato a farlo usando il petto. Non esiste un processo di apprendimento. Ecco perché è intuitivo.

Qui vediamo Jesse durante il primo esperimento. A sinistra vedete la protesi originale, dove usa quegli interruttori per spostare i mattoncini da un contenitore all'altro. Ha fatto pratica col braccio per una ventina di mesi, ed è molto bravo. A destra, due mesi dopo aver praticato le reinnervazioni - a proposito, è lo stesso braccio meccanico, ma programmato in modo differente -- potete vedere quanto sia più veloce e più fluido quando sposta i mattoncini. A questo stadio siamo in grado di usare solo tre segnali.

E poi c'è stata una piccola sorpresa. Eravamo tutti concentrati sui comandi motore per il movimento del braccio. E dopo alcuni mesi, toccando i muscoli del petto, Jesse ha di nuovo la sensazione della mano. Forse la sensazione è aumentata per via del fatto che avevamo asportato molta materia grassa, cosicché non c'erano barriere tra pelle e muscoli, e praticamente abbiamo disinnervato la pelle. E così se Jesse viene toccato in questo punto, riesce a sentire il pollice, e qui il mignolo. Riesce a percepire pressioni di un grammo. Percepisce il caldo, il freddo, le superfici lisce e ruvide, e tutto con la mano mancante, o meglio, con mano e petto, ma può farlo con l'una o l'altro. Questa è una cosa fantastica, perché ora disponiamo di un portale, di un modo per restituire le sensazioni perdute, così che possa nuovamente percepire ciò che tocca con la sua mano protesica. Immaginate i sensori della mano che trasmettono fedelmente tutte queste sensazioni. Davvero fantastico.

Abbiamo anche fatto progressi con quello che era inizialmente il campione primario di persone con amputazioni al di sopra del gomito. Qui disinnerviamo, ossia asportiamo i nervi da piccoli segmenti di muscolo, senza alterare gli altri, per poter convogliare i segnali, e ne usiamo due per il segnale di mano chiusa o aperta. Ecco uno dei nostri primi pazienti, Chris. Qui a sinistra lo vediamo con la sua protesi originale dopo otto mesi di pratica, e qui a destra dopo solo due mesi (di pratica con la nuova). E' circa 4-5 volte più rapido con questo semplice rilevatore metrico.

Bene. Dunque uno degli aspetti migliori del mio lavoro è poter lavorare con pazienti fantastici che sono anche collaboratori di ricerca. E oggi abbiamo la fortuna di avere tra noi Amanda Kitts. Diamo il benvenuto ad Amanda.

(Applausi)

Bene, Amanda, vuoi raccontarci come hai perduto il braccio?

Amanda Kitts: Certo. Nel 2006 ho avuto un incidente automobilistico. Stavo tornando a casa dal lavoro, quando un camion che procedeva in senso contrario ha invaso la mia corsia finendo sulla mia macchina, e strappandomi il braccio con l'asse delle ruote.

Todd Kuiken: Ok, e poi, dopo l'amputazione, pian piano ti sei ripresa. E hai indossato una di queste protesi convenzionali. Puoi dirci come funzionava?

AK: Beh, era un po' complicato, perché dovevo far funzionare un bicipite e un tricipite. Per le cose semplici, come raccogliere un oggetto, dovevo piegare il gomito, per poi doverlo co-contrarre per modificarne la funzionalità. Quando lo facevo dovevo usare il bicipite per far chiudere la mano, il tricipite per riaprirla, e poi co-contrarli di nuovo per poter usare nuovamente il gomito.

TK: Era un processo un po' lento?

AK: Lento e difficile da eseguire. C'era bisogno di molta concentrazione.

TK: Ok. Dopo circa nove mesi dall'intervento di reinnervazione ci sono voluti altri 6 mesi per la reinnervazione completa. E poi abbiamo applicato la protesi. E com'è andata?

AK: Funziona bene. Potevo usare gomito e mano nello stesso tempo. E li facevo muovere solo pensando al movimento. Non c'era più bisogno di effettuare co-contrazioni.

TK: Un po' più veloce?

AK: Più veloce e molto, molto più naturale.

TK: Bene, questo era il mio obiettivo. Per 20 anni il mio scopo era stato trovare il sistema per usare gomito e mano in modo intuitivo e contemporaneamente. E adesso abbiamo più di 50 pazienti in tutto il mondo su cui siamo intervenuti, tra cui una dozzina di reduci delle forze armate statunitensi. Il tasso di successo di questo intervento è altissimo. Siamo al 96 %. Perché posizioniamo un nervo bello grosso su una piccola porzione di muscolo. E questo consente un controllo intuitivo. I nostri esami funzionali, quei piccoli test che avete visto, testimoniano tutti maggiore velocità e facilità d'uso. E la cosa più importante è che i nostri pazienti lo hanno apprezzato.

Dunque va tutto bene. Ma vogliamo fare ancora meglio. Attraverso i nervi passa una gran quantità di informazioni, e noi volevamo catturarne di più. Si possono muovere le singole dita, il pollice, il polso. Possiamo fare di più? Abbiamo eseguito degli esperimenti in cui abbiamo sommerso di elettrodi i nostri poveri pazienti e poi abbiamo assegnato loro tanti compiti diversi -- dalla contorsione di un dito all'estensione di tutto il braccio per raggiungere un oggetto -- e abbiamo registrati tutti i dati. Abbiamo poi applicato degli algoritmi simili a quelli del riconoscimento vocale, detti di riconoscimento di schema (pattern recognition). Guardate.

(Risate)

E qui potete osservare, sul petto di Jesse, mentre cerca di fare tre cose diverse, tre formazioni diverse. Ma non è possibile inserire un elettrodo e dire, "Va' lì". Abbiamo chiesto la collaborazione di alcuni colleghi dell'Università del New Brunswick, che hanno sviluppato quest'algoritmo che ora vi mostrerà Amanda.

AK: Il mio gomito si sposta in su e in giù. Posso ruotare il polso di 360 gradi. E poi posso fletterlo ed estenderlo. E posso aprire e chiudere la mano.

TK: Grazie, Amanda. Ora questo braccio è sperimentale, ma è fatto di componenti commerciali da qui in giù e alcuni li ho presi in prestito da altre parti del mondo. Pesa poco più di 3 kg, circa il peso del mio braccio se lo avessi perso in questo punto. Ovviamente è pesante per Amanda. E di fatto sembra anche più pesante dato che non è impiantato. Amanda ne sostiene tutto il peso con un'imbragatura.

Ma la parte più emozionante non è la meccatronica, bensì il controllo. Abbiamo sviluppato un microcomputer che le abbiamo sistemato dietro la schiena, attraverso il quale Amanda riesce ad elaborare ciascun segnale muscolare. Dunque Amanda, quando hai cominciato ad usare questo braccio quanto ci hai messo per prendervi confidenza?

AK: Probabilmente dalle tre alle quattro ore per impostare l'addestramento. Dovevo collegarlo a un computer, per cui non potevo addestrarlo in ogni luogo. E appena terminata l'esercitazione dovevo toglierlo. Ora invece posso esercitarmi ovunque grazie a questo microcomputer che indosso. Posso andarci in giro. In caso di malfunzionamento posso resettarlo. Ci vuole solo un minuto.

TK: Siamo tutti entusiasti perché adesso disponiamo di un congegno adatto alla pratica clinica. Ecco il nostro obiettivo -- poter indossare qualcosa di clinicamente pragmatico. Amanda ha provato ad usare anche qualcuna delle nostre protesi più avanzate, che vi ho già mostrato. Ecco Amanda con un braccio realizzato dalla DEKA Research Corporation. Credo che Dean Kamen lo abbia presentato a TED qualche anno fa. Dunque potete vedere come Amanda abbia un ottimo controllo. Tutto basato sul riconoscimento di schemi. Con la mano può esercitare diversi tipi di presa. Praticamente il paziente pensa: "Che tipo di presa voglio usare?". Così avviene la selezione, e si possono scegliere fino a sei diversi tipi di presa. Amanda, quanti riuscivi a farne col braccio della DEKA?

AK: Quattro. Per usare le chiavi, per trattenere oggetti, per esercitare una certa forza, e per i movimenti di precisione. Ma il mio favorito era quando la mano era aperta, perché lavoro con i bambini, e spesso si battono le mani e si canta; in questo modo riuscivo a farlo di nuovo, ed è bellissimo.

TK: Ma quella mano non è molto adatta per applaudire.

AK: Con questa non ci riesco.

TK: Bene. E' affascinante pensare dove potremo arrivare con una migliore meccatronica, realizzando costruzioni con un'efficienza tale da poter essere commercializzate e provate sul campo. Guardate attentamente.

(Video) Claudia: Oooooh!

TK: Questa è Claudia, e qui è la prima volta che riesce a provare delle sensazioni attraverso la protesi. Aveva un piccolo sensore all'estremità della protesi, e facendole sfiorare diverse superfici riusciva a percepirne le diversità, ad esempio carta vetrata, granulati, cavi elettrici piatti, le cui caratteristiche venivano trasmesse attraverso la mano. Ci diceva che quando passava la mano sulla tavola aveva la sensazione che il dito si muovesse. Proprio un esperimento appassionante, che consente di restituire, potenzialmente, alcune sensazioni della pelle.

Ma ecco un altro video che vi mostra alcune delle nostre sfide. Qui c'è Jesse che stringe un giocattolo di gomma. E a una pressione maggiore -- vedete questa cosetta nera al centro che spinge sulla pelle in modo proporzionale alla pressione esercitata. Ma guardate tutti questi elettrodi. Ho un problema di spazio. Dovremmo poter posizionare in quel punto molti di questi aggeggi, ma il nostro piccolo motore genera tanti rumorini proprio vicino agli elettrodi. Dunque per noi è una grande sfida.

Ma il futuro è splendente. Siamo entusiasti per i risultati e per ciò che resta da fare. Per esempio, dobbiamo risolvere il mio problema di spazio ed ottenere segnali migliori. Vogliamo sviluppare queste piccole capsule grandi come un chicco di riso, per poterle inserire nei muscoli ed ottenere la trasmissione dei segnali bio-elettrici (EMG), evitando così il contatto con gli elettrodi. E possiamo estendere la ricerca per includere altri tipi di sensori. Vogliamo costruire un braccio migliore. Questo braccio -- sono realizzati sempre per il 50° percentile maschile -- ossia sono troppo grandi per i 5/8 della popolazione mondiale. Ma invece di sviluppare un braccio super forte e super veloce facciamo un braccio che è -- stiamo cominciando col 25° percentile femminile -- che avrà una mano adatta ad ogni presa, che si apre completamente, con due gradi di libertà al polso e al gomito. Sarà dunque il braccio più piccolo e leggero e intelligente mai costruito finora. Se riusciamo a farne di piccoli, sarà molto più facile farne di più grandi.

E questi sono solo alcuni dei nostri obiettivi. Siamo molto grati della vostra presenza qui oggi. Ma vorrei parlarvi anche del 'lato oscuro', di quello che è successo ieri. Amanda risentiva ancora del jet-lag doveva usare il braccio, e andava tutto storto. Problemi di computer, un filo rotto, un convertitore fuori uso. Abbiamo smontato tutto il circuito in hotel e abbiamo quasi fatto scattare l'allarme antincendio. E io non sarei riuscito a risolvere alcun problema se non avessi avuto con me i miei brillanti collaboratori. Grazie al cielo la Dott.ssa Annie Simon era con noi e ieri ha lavorato sodo per risolvere i problemi. Questa è la scienza. E fortunatamente oggi è andato tutto bene.

Vi ringrazio molto.

(Applausi)