CAMBRIDGE, Mass. – Per ore e ore, l’anno scorso, gli ingegneri del Massachusetts Institute of Technology hanno messo alla prova l’arto robotico controllato dal cervello, testando le sue capacità su una serie di pazienti e mettendolo a punto come una squadra ai box che prepara una macchina da corsa per la 500 miglia di Indy.

Hanno fatto flettere il piede protesico ai pazienti: punta su, punta giù. Punta dentro, punta fuori. Camminare su per una rampa di scale, poi di nuovo giù. Ma è stato dopo gli esperimenti del giorno, quando il paziente Jim Ewing era seduto a chiacchierare con il team, che hanno fatto la loro osservazione più provocatoria: Si agitava, ruotando la caviglia motorizzata, inconsciamente.

Non era molto, solo un movimento ogni tanto, ma ha fornito una prova potente che il nuovo piede robotico era diventato una parte senza soluzione di continuità del corpo di Ewing in un modo che non è mai stato realizzato prima con un arto protesico, gli scienziati hanno riferito mercoledì.

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“Un amputato standard, quando indossa la gamba, non fa nulla di tutto ciò”, ha detto a STAT il dottor Matthew Carty, chirurgo del Brigham and Women’s Hospital e coautore del documento. “Ma Jim, quando era seduto lì a parlare con noi, stava agitando il suo piede bionico come se fosse il suo piede biologico. E non ci stava pensando. Era solo lui che era lui.”

La chiave per rendere il bionico come il biologico era la combinazione di un progresso chirurgico con uno tecnologico, dicono i ricercatori. Ewing – che ha maciullato il suo piede sinistro quando è caduto circa 50 piedi da una scogliera che stava scalando nelle isole Cayman – è stata la prima persona a subire un tipo completamente nuovo di amputazione, sperimentato da Carty e dal professore del MIT Hugh Herr. Gli ingegneri, nel frattempo, hanno sviluppato una protesi del piede che permetterebbe la comunicazione bidirezionale, con i segnali che viaggiano dal cervello di Ewing alla sua gamba inferiore residua e nell’arto bionico, e poi di nuovo indietro.

Herr, egli stesso uno scalatore che ha perso entrambe le gambe per congelamento come un adolescente, descrive il suo obiettivo come niente meno che eliminare la disabilità. Questo è ancora lontano. Ma la ricerca dimostra il potenziale del nuovo sistema per aiutare le persone con gambe amputate ad afferrare se stessi quando fanno un passo fuori dai marciapiedi che non vedono, o camminare su terreni irregolari senza inciampare, ha detto Tyler Clites, che ha appena guadagnato il suo dottorato. dal Programma Harvard-MIT in Scienze e Tecnologie Sanitarie ed è stato autore principale del documento pubblicato su Science Translational Medicine.

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Ewing, indicato come “soggetto A” nel documento, è stato l’unico paziente testato che si è sottoposto alla nuova procedura. Clites ha confrontato come ha fatto con il piede robotico con le prestazioni di quattro persone che hanno avuto amputazioni tradizionali. In contrasto con Ewing, che ha descritto la protesi come “la sua gamba”, gli altri hanno riferito “una distinta mancanza di proprietà della protesi, o l’emozione associata al controllo di esso,” Clites ha scritto.

Ewing, 54, esibito più sottile controllo sul piede in fibra di carbonio e metallo, che pesa circa 2 chilogrammi – circa lo stesso del suo piede naturale. Ha anche sollevato e abbassato automaticamente le dita dei piedi mentre saliva o scendeva le scale, un comportamento riflessivo visto in persone con gambe intatte ma mai prima con una protesi. “Questo è sotto il livello della sua coscienza”, ha detto Clites. “

Prima di concludere che il nuovo intervento è superiore all’amputazione standard, tuttavia, i risultati devono essere replicati in uno studio clinico più ampio, che è già in corso.

STAT ha seguito l’esperimento per gli ultimi 15 mesi, raccogliendo filmati per un prossimo documentario, chiamato “Augmented,” circa l’ambizioso progetto di Herr e il suo team per creare protesi robotiche avanzate che diventano uno con i pazienti.

Più cruciale, i ricercatori del MIT e Brigham sono stati in grado di ripristinare il senso di propriocezione di Ewing, la capacità di sapere – senza guardare – dove sono gli arti nello spazio, quanto velocemente si stanno muovendo e con quale forza. È ciò che ti permette di toccare le dita insieme con gli occhi chiusi, o di calibrare quanto duramente premere sul pedale del gas. In breve, “è fondamentale per tutti i movimenti umani”, ha detto Clites in un’intervista.

Paul Marasco, capo del Laboratorio per l’integrazione bionica presso la Cleveland Clinic, ha chiamato il documento “cool”, dicendo che “la propriocezione è stato un dado davvero difficile da rompere” per gli sviluppatori di arti robotici. “È un senso che non sappiamo nemmeno di avere”, ha detto, “che diamo completamente per scontato. Ma senza di essa, la funzionalità delle protesi è davvero ridotta.”

Nelle persone con arti intatti, la propriocezione dipende dall’interazione tra muscoli opposti: Quando i bicipiti si contraggono e muovono il gomito, per esempio, il tricipite si allunga, e i sensori in quei muscoli e nei tendini collegati segnalano al cervello che il braccio si è piegato. Questo feedback continuo permette al cervello di controllare finemente il movimento, ma nella procedura di amputazione tradizionale, queste connessioni sono interrotte.

La nuova “amputazione Ewing” le ricrea, cucendo insieme coppie di muscoli e tendini che si collegavano alla caviglia e all’articolazione subtalare del piede. Quando un muscolo si contrae, l’altro si allunga, ripristinando la sensazione che l’articolazione si stia muovendo. Gli elettrodi attaccati alla pelle del paziente registrano i movimenti muscolari nel suo arto residuo e inviano segnali al piede protesico che lo fanno muovere nel modo in cui lui sente che si sta muovendo.

Al tempo stesso, il piede rimanda impulsi elettrici all’arto residuo sulla forza esercitata, permettendo al paziente di regolare quanto forte sta spingendo.

“Ciò che è unico in Jim rispetto agli altri è che quando Jim pensa di muovere il suo arto fantasma, si sente come se l’arto fantasma si muovesse nel modo che lui vuole”, ha detto Clites.

Ewing ha potuto sentire la sensazione non appena il piede robot è stato attaccato e messo a punto. “Ho iniziato subito a usarlo come se fosse il mio piede”, ha detto a STAT, senza dover riaddestrare il suo cervello a ottenere i movimenti desiderati.

“Oh, wow, c’è qualcosa lì”, ha ricordato di aver pensato. “Sta rispondendo. Mi sentivo come se il mio piede fosse tornato.”

“Non sono una persona che è davvero incline alle emozioni drammatiche”, ha aggiunto, “ma più tardi, quando stavo guidando verso casa, ho davvero sentito un forte impulso di essere di nuovo connesso ad esso. Come, ‘Voglio avere di nuovo quella cosa addosso e sentire come se avessi di nuovo il mio piede.'”

Ewing, un ingegnere di Falmouth, Maine, era così concentrato sulla “monumentale” decisione di farsi amputare o meno la gamba che sottoporsi alla nuova procedura era quasi un ripensamento. Non poteva essere sicuro che l’intervento avrebbe funzionato, che avrebbe eliminato il dolore lancinante che lo costringeva a prendere quantità crescenti di antidolorifici. E se avesse peggiorato il dolore?

“Non è reversibile, non si può rimettere”, disse. “Questa è la parte spaventosa”.

Ma il 19 luglio 2016, un anno e mezzo dopo la sua caduta, è andato avanti con l’amputazione: “Sapevo che non potevo continuare a vivere con quello che avevo”, ha detto.

Ora, due anni dopo, il suo dolore è in gran parte diminuito, anche se ha detto che sente ancora “rumore di nervi”, un “costante po ‘di formicolio nel piede fantasma”. Non lo rallenta. Dall’operazione, è andato a sciare e a fare immersioni. Corre e fa escursioni con una protesi in fibra di carbonio e, praticamente ogni fine settimana, va ad arrampicare. “Non c’è davvero nessuna attività che devo dire, ‘Oh, non posso farlo a causa del mio arto ferito.'”

La chirurgia standard di amputazione rimane impantanata nel XIX secolo: Non è cambiato molto dai tempi della guerra civile, quando l’anestesia era ancora rudimentale e ciò che contava di più era la velocità e mantenere i pazienti in vita.

Intanto, le protesi sono migliorate notevolmente nell’ultimo decennio o giù di lì, guidate in gran parte dalla necessità di aiutare le migliaia di membri del servizio americano che sono tornati dalle guerre in Afghanistan e Iraq con le gambe distrutte. L’esercito degli Stati Uniti ha contribuito a finanziare la ricerca descritta nel nuovo documento, insieme al MIT Media Lab Consortia, Google e il Gillian Reny Stepping Strong Center for Trauma Innovation, che è stato creato dalla famiglia di un sopravvissuto alla bomba della maratona di Boston.

“Le tecnologie sono maturate al punto in cui possiamo iniziare ad avere la conversazione su come le amputazioni devono cambiare” per trarre pieno vantaggio dalle caratteristiche delle protesi avanzate, ha detto Marasco della Cleveland Clinic. “Questo è un pezzo davvero eccitante di questo.”

Marasco ha recentemente riportato il ripristino della sensazione di movimento della mano in tre pazienti con amputazioni degli arti superiori. Facendo vibrare i muscoli del braccio residuo dei pazienti mentre la loro mano protesica si muoveva, il team di Marasco ha ingannato il cervello facendogli credere di sentire il movimento della mano. I pazienti avevano un migliore controllo della loro presa e, come Ewing, hanno riferito che il loro arto bionico si sentiva più simile al proprio.

Clites ha detto che l’approccio del suo team è l’unico che si basa su muscoli e nervi che fanno ciò che fanno naturalmente. (Ha depositato un brevetto con Herr e Carty, che già detengono un brevetto concettuale sulla procedura.)

“Tutti gli altri che stanno lavorando in questo spazio stanno cercando di costruire un sistema robotico che funzionerà in un arto residuo che francamente è rotto,” ha detto Clites. “

Un pomeriggio all’inizio dell’anno scorso, dopo aver visto Ewing salire con successo le scale con la gamba robotica, Herr si sedette in una sala conferenze del MIT e rifletté su ciò che aveva visto. “Quando progettiamo e costruiamo martelli e li prendiamo in mano e piantiamo chiodi, è uno strumento”, ha detto. “È separato dal nostro corpo. È qualcosa che usiamo. Ma non è una parte integrante di noi stessi. Stiamo entrando in una nuova era di interazione uomo-tecnologia.”

Ha detto che anela a quella sensazione di proprietà, ciò che chiama “incarnazione”, e ha ammesso di sentirsi “verde di invidia” per Ewing. “Ma verrà il momento”, ha aggiunto.

Infatti, l’anno scorso, il laboratorio di Herr ha pubblicato un documento che descrive come il nuovo approccio all’amputazione potrebbe essere applicato a persone come Herr che hanno già subito la procedura standard.

Carty sta già progettando di iniziare a eseguire una versione sopra il ginocchio dell’amputazione Ewing, con il primo paziente previsto per l’intervento in giugno e altri due probabilmente in autunno.

Questi pazienti faranno parte della sperimentazione clinica più grande in corso, che è finanziata con 3 milioni di dollari dal dipartimento della difesa. La sperimentazione comprenderà alla fine da 16 a 20 pazienti, ha detto Carty. Doveva durare quattro anni, ma il reclutamento è andato molto più veloce del previsto, spinto dal passaparola. Carty ha fatto finora nove delle amputazioni.

Due anni fa, Ewing zoppicò nel Brigham and Women’s Faulkner Hospital per la prima. All’inizio di questo mese, è tornato, questa volta camminando fiduciosamente lungo il corridoio su una gamba bionica, il suo piccolo motore elettrico ronza ad ogni passo. Era lì per visitare una donna di 20 anni che stava per sottoporsi alla procedura di amputazione che porta il suo nome.

Quando girò l’angolo nell’area preoperatoria, la paziente n. 9 stava aspettando con ansia. “Ciao, Jim”, disse lei.

“Hai sentito le mie parti”, chiese lui.

Poi si abbracciarono.

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