19 luglio 2011

Nuove strategie di ricerca per restituire la locomozione perduta. Il progetto Spinal di Giuliano Taccola (SISSA).

Sissa deambulazione Trieste, 19 luglio 2011 - Nuove ricerche con l'obiettivo di restituire la capacità di camminare a chi l'ha perduta. Le conduce il ricercatore genovese Giuliano Taccola, coordinatore del laboratorio dedicato alle lesioni spinali Spinal della Sissa a Udine. Il laboratorio nasce dalla collaborazione tra la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati di Trieste (SISSA), l’Istituto di Medicina Fisica e Riabilitazione dell’Ospedale Gervasutta di Udine, l’Associazione tetra-paraplegici Fvg, con il sostegno della Regione Friuli Venezia Giulia.
Giuliano Taccola ha messo a punto una nuova strategia per inviare stimoli elettrici al midollo spinale che a causa di una lesione ha perso la capacità coordinare la locomozione.
Secondo una ricerca condotta dalla fondazione Istud (in collaborazione con la Federazione delle associazioni italiane para-teraplegici e finanziata dall'Inail) le persone con lesione al midollo spinale in Italia sono circa 70 mila, quattro nuove ogni giorno.
Taccola illustra così la sua strategia: «inviare uno stimolo opportuno ai circuiti neuronali localizzati nel midollo lombare, noti come CPG (Central Pattern Generator), per indurre in risposta il passo anche in molti di coloro che hanno subito l’interruzione del midollo spinale in seguito a una lesione». Per farlo ha utilizzato come stimolo la traccia ottenuta precedentemente dalla registrazione dell’attività locomotoria: un po' come ascoltare la propria voce registrata.
«In pratica, nel preparato in vitro di midollo spinale ho registrato il programma locomotorio generato dal CPG spinale in risposta alla stimolazione chimica ottenuta attraverso l’applicazione di sostanze eccitatorie. Poi ho importato un segmento della registrazione di quest'attività e l’ho utilizzato come stimolo elettrico».
Il nuovo protocollo di stimolazione secondo la SISSA si è mostrato più efficace di quelli tradizionali utilizzati oggi in clinica e riabilitazione: è riuscito a evocare infatti un maggior numero di cicli locomotori. «L'analogo in vivo – precisa il neurobiologo - potrebbe essere un maggior numero di passi in risposta a uno stimolo della stessa durata».
«Dobbiamo considerare – continua Taccola - che non esistono due passi perfettamente identici, ognuno ha un profilo cinematico leggermente diverso dagli altri. Infatti anche quando vogliamo replicare un gesto, nonostante gli sforzi, non riusciamo mai a riproporlo esattamente uguale».
In altre parole il vantaggio di questo protocollo deriva dalla grande variabilità di cui sono dotate le onde di stimolazione utilizzate. La registrazione ottenuta dal campionamento dell'attività locomotoria possiede infatti una sua intrinseca variabilità di scarica, definita rumore. Per questo uno stimolo variabile dovrebbe riescire a dialogare meglio con i neuroni del circuito spinale, risultando più efficace nell’attivazione del programma locomotorio.
La locomozione è determinata da un programma locomotorio che corrisponde all'attività automatica di una rete di neuroni contenuti nel midollo toraco-lombare: il CPG. Esiste quindi un network spinale che può essere attivato e modulato dai centri sopraspinali. Sono loro per esempio ad attivare volontariamente la locomozione, la volontà di cambiare velocità o di fermarsi. Al CPG spinale arrivano però anche informazioni dalla periferia del corpo (come per esempio sulla posizione degli arti inferiori) e queste sono utilizzate per aggiustare in maniera involontaria il movimento e adattarlo a cambiamenti ambientali, come le condizioni del terreno.
In molte lesioni spinali, in seguito al trauma il CPG lombare rimane però scollegato dai centri sopraspinali e quindi non può più essere attivato volontariamente. Sembrerebbe comunque che in questi casi il midollo spinale, se opportunamente stimolato, può generare la locomozione in maniera automatica e indipendente dal controllo del cervello: «l’impulso cerebrale potrebbe essere sostituito da un trigger esterno, come un elettrostimolatore».
Esistono già protocolli di stimolazione, come quello per esempio utilizzato e illustrato sulla rivista Lancet dal team dell’Università di Louisville, UCLA e il California Institute of Technology con il giocatore di baseball Rob Summers, paralizzato dal torace in giù in seguito a una lesione alla colonna vertebrale. «Si tratta di treni di impulsi elettrici tutti uguali. Invece nel protocollo di stimolazione messo a punto nel laboratorio Spinal, ogni impulso è diverso dal precedente e dal successivo, così come ogni passo è diverso dall’altro in termini biomeccanici e per ogni passo sono probabilmente attivati neuroni diversi dello stesso circuito spinale».
Le ricadute applicative di questo lavoro potrebbero rivelarsi molto significative. Se i risultati saranno confermati anche in vivo allora la nuova strategia di stimolazione potrebbe essere facilmente trasferita negli attuali dispositivi clinici, come quello illustrato sulla rivista Lancet (Effect of epidural stimulation of the lumbosacral spinal cord on voluntary movement, standing, and assisted stepping after motor complete paraplegia: a case study 20 maggio 2011) da gruppi di ricerca dell’Università di Louisville (UCLA) e del California Institute of Technology, con il giocatore di baseball Rob Summers, paralizzato dal torace in giù in seguito a una lesione alla colonna vertebrale.

The locomotor central pattern generator of the rat spinal cord in vitro is optimally activated by noisy dorsal root waveforms Giuliano Taccola, Journal of Neurophysiology, 22 May 2011.
Abstract
The spinal cord contains an intrinsic locomotor program driven by a central pattern generator that rhythmically activates flexor and extensor limb motor pools. While long-lasting locomotor activity can be generated pharmacologically, trains of afferent stimuli trigger only few locomotor cycles. The present study investigated whether a new electrical stimulation protocol (termed FListim) could elicit long-lasting fictive locomotion (FL) in the rat spinal cord in vitro. Thus, after first inducing FL by bath-applied NMDA and serotonin, the recorded waveform obtained from a lumbar ventral root was digitized and then applied to either a lumbar dorsal root or the cauda equina following washout of pharmacological agents. Two FListim cycles were the threshold input to evoke an episode of FL from ventral roots. Longer cycles (up to 1 min) induced sustained FL (up to 1 min) with stereotyped periodicity (2.2 ± 0.5 s), despite changing frequency (2 - 4 s) or cycle amplitude of FListim. Gradual filtering out of the noise from FListim trace concomitantly decreased the efficiency of FL so that stimulation with equivalent pure sinusoids produced asynchronous, irregular discharges only that could not be converted to FL by adding spontaneous basal activity. This study is the first demonstration that epochs of rhythmic locomotor-like oscillations applied to a dorsal root represent an efficient stimulus to evoke FL as long as they contain the electrophysiological noise produced within FL cycles. These observations suggest novel strategies to improve the efficiency of electrical stimulation delivered by clinical devices for neurorehabilitation after spinal injury.

Paralyzed Man Shows Remarkable Recovery Science Now 19 May 2011

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