La scienza medica è sempre alla ricerca di nuovi limiti da superare, e la cecità è uno di questi. Sembra impossibile, ma forse non lo è. Glaucoma, retinopatia diabetica, lesioni del nervo ottico sono solo alcune delle patologie a carico del sistema visivo che possono portare alla cecità e che l’ingegneria biomedica si è da sempre posta di curare come obiettivo. Con il potenziale per poter curare qualsiasi tipo di cecità acquisita, gli impianti visivi corticali sono stati introdotti sin dagli anni ’60 del secolo scorso per stimolare direttamente alcuni punti precisi della corteccia cerebrale, generando una serie di punti luminosi nel campo visivo.
La ricerca del Professor Daniel Yoshor sulla stimolazione dinamica della corteccia visiva, abbinata alla nuova protesi corticale visiva Orion, sembra quindi costituire un importante passo in avanti nella ricerca biomedicale.
Com’è nato il sistema Orion
Il Professore di Neurochirurgia Daniel Yoshor, leader della ricerca su Orion, si è ispirato al processo evolutivo della razza umana. Il suo scopo è trovare un modo per utilizzare un impianto neurale per la stimolazione della corteccia visiva, responsabile della ricezione e della decodifica degli stimoli dal mondo esterno. Il team di ricerca della Perelman School of Medicine dell’Università della Pennsylvania ha recentemente pubblicato lo studio sulla rivista scientifica Cell.
Al team di ricerca statunitense è stato quindi affidato il compito di verificare la validità del progetto Orion, un impianto neurale che potrebbe essere compatibile con la stimolazione elettrica dinamica per trasformare stimoli elettrici in sensazioni visive.
Orion è infatti una protesi corticale visiva, ovvero un dispositivo medico in grado di stimolare elettricamente la corteccia occipitale del cervello, con l’ausilio di un array di micro-elettrodi.
Il primo prototipo di tale tecnologia è stato sviluppato da Second Sight, azienda californiana con una notevole esperienza nel campo delle protesi visive. Già nel 2013, infatti, la società ottenne l’approvazione da parte della Food and Drug Administration per la protesi visiva Argus II, che ad oggi conta più di 310 dispositivi impiantati, 52 dei quali in Italia. Con Orion, lo scorso settembre la società statunitense ha ricevuto l’approvazione di un finanziamento da 1,6 milioni di dollari, estendibile fino a 6,3 milioni di dollari nell’arco di cinque anni.
Da Argus II ad Orion: l’evoluzione delle protesi visive
Il sistema protesico retinico Argus II (Figura 1) è stato il primo dispositivo impiantabile per il trattamento della retinite pigmentosa severa e della maculopatia negli adulti.
FIGURA 1: la composizione della protesi epiretinica Argus II. Credits: Second Sight
Il concetto tecnologico alla base di questo tipo di protesi visive è il seguente (Figura 2):
- Una videocamera esterna indossata dal paziente trasmette le informazioni visive, tramite un video-processore (VPU), a un impianto di elettrodi;
- l’impianto di elettrodi, posto in posizione epiretinica sulla superficie frontale della retina, ne stimola le cellule gangliari più interne, bypassando gli strati retinici danneggiati;
- tali stimoli, tramite il nervo ottico, raggiungono infine la corteccia cerebrale, venendo prima elaborati e poi tradotti in percezione visiva dal cervello.
L’innovazione di Orion consiste nel rendere fruibile questa tecnologia ad una fetta molto più ampia di pazienti rispetto ai suoi predecessori. Second Sight si prefigge infatti, impiantando il sistema di elettrodi preposti alla stimolazione visiva direttamente sulla corteccia cerebrale (anziché in posizione epiretinica), di aggirare tutte le componenti oculari, compreso il nervo ottico.
Orion, dunque, sarà sorprendentemente sprovvisto di una componente intraoculare. Anche in questo caso il compito di raccolta ed elaborazione dati è affidato ad una videocamera e ad un video-processore che, tramite un trasmettitore wireless, invia le informazioni ad un sistema composto da 60 micro-elettrodi, impiantato sulla corteccia occipitale laterale (Figura 3).
Ad oggi sono 6 i pazienti a cui è stato impiantato il sistema Orion. Tuttavia, il numero di elettrodi adottato (60) risulta esiguo quando si tratta di renderizzare un’immagine realistica: associando infatti alla stimolazione generata da ogni elettrodo un punto specifico nel campo visivo, si otterrebbe “un’immagine” con risoluzione estremamente bassa (formata da soli 60 pixel, come il numero di elettrodi). La soluzione potrebbe risiedere nell’incrementare il numero di elettrodi, fino ad arrivare a centinaia di migliaia, o addirittura un milione.
Teoricamente, se avessimo centinaia di migliaia di elettrodi nel cervello potremmo produrre un’immagine visiva ricca. Si pensi al puntinismo, migliaia di minuscole macchie si uniscono per creare un’immagine completa. Potremmo potenzialmente fare lo stesso stimolando migliaia di punti sulla parte occipitale del cervello. Quando l’ingegneria sarà al passo con la nostra immaginazione sperimentale, non vedremo l’ora di provarlo.
Professor Daniel Yoshor
Fino a quando non sarà possibile incrementare il numero di micro-elettrodi della componente hardware, il team investigativo ha intenzione di migliorare il software che governa l’invio dei segnali elettrici ai neuroni. Come? Utilizzando la stimolazione neurale dinamica, un nuovo metodo di stimolazione neurale che fornisce una migliore interpretazione delle immagini, attraverso l’attivazione sequenziale degli elettrodi seguendo la forma desiderata.
La stimolazione neurale dinamica
Per rendere chiaro come la stimolazione neurale dinamica possa aiutare a fornire immagini più dettagliate ai pazienti, ne viene di seguito illustrato un esempio (Figura 4). Se la forma statica di una lettera viene premuta sul palmo della mano di una persona, risulterà molto difficile per quest’ultima descrivere di che forma si tratti. In medicina, infatti, un trucco comunemente utilizzato per testare la percezione tattile è quello di tracciare delle forme sul palmo della mano del paziente: così facendo, il paziente riesce a percepire qualsiasi forma particolare.
La tecnologia di Orion adotta un approccio simile: stimolando punti specifici della corteccia visiva e chiedendo a dei volontari dove vedessero il punto luminoso risultante, il cosiddetto fosfene, i ricercatori sono stati in grado di ricostruire una mappa retinotopica (Figura 5).
Su queste basi, attraverso la stimolazione dinamica, gli elettrodi stimolano il cervello in modo sequenziale, tracciando una forma nel campo visivo.
Durante i primi esperimenti, persone normovedenti e ipovedenti sono state entrambe in grado di riconoscere alcune lettere dell’alfabeto, tra cui M, N, U e W. Nel seguente video è riportato l’intervento del Professor Daniel Yoshor riguardo Orion, insieme ad una testimonianza di Benjamin Spencer, che perse la vista nel 1992 a causa di un glaucoma.
Prospettive future
Con l’aiuto dei progressi odierni nel campo di visione artificiale, intelligenza artificiale e implementazione hardware, Yoshor è convinto che Orion, in futuro, sarà anche in grado di gestire forme più complesse in movimento. Se così fosse, tale tecnologia potrebbe migliorare la quotidianità dei pazienti e rappresentare una valida alternativa alle odierne protesi visive.
Second Sight non è l’unica azienda a lavorare su una protesi corticale visiva. Anche la Monash University in Australia si sta organizzando per avviare le sperimentazioni cliniche del nuovo sistema di visione bionica Gennaris (Figura 6).
Seguiranno quindi sviluppi anche di questo progetto, ma nel frattempo, confidando nella ricerca del Professor Yoshor e nell’esperienza ventennale di Second Sight Medical Products, si spera che l’innovazione scientifica in questo settore abbatta le attuali barriere innalzate dalle disabilità visive.
Fonti e approfondimenti
- Cell.com – Dynamic Stimulation of Visual Cortex Produces Form Vision in Sighted and Blind Humans
- R.P. Liguria – Associazione R.P. Liguria per la Retinite Pigmentosa e altre malattie della Retina
- IEEE Spectrum – Brain Implant Bypasses Eyes To Help Blind People See
- Storiadellamedicina.net – La Protesi Retinica Argus
- Ophtalmology Times Europe – Device renews hope for artificial vision
- Springer Link, Neurotherapeutics – Brain Machine Interfaces for Vision Restoration: The Current State of Cortical Visual Prosthetics
Ciao Lorenzo, è esatto quello che sottolinea.
É per tale motivo che gli impianti corticali possono favorire solo chi soffre di una qualsiasi forma di cecità ACQUISITA.
Questo deriva dal fatto che, nell’arco della vita, la corteccia cerebrale continua a maturare.
Prima si pensava che tale maturazione si completasse entro i primi anni di vita, tuttavia, una ricerca condotta dalla neuroscienziata e professoressa Kathryn Murphy (McMaster University) dimostra che la percezione visiva si sviluppa fino all’età adulta (35-36 anni). Resta il fatto che tale processo di maturazione si addensi nei primi anni di vita rallentanto drasticamente dopo i 36-48 mesi successivi alla nascita.
Purtroppo tale ricerca non prende in esame gli impianti visivi corticali ma fornisce una chiara idea su come un impianto corticale possa avere un’efficacia diversa per ogni paziente.
https://www.jneurosci.org/content/37/25/6031.full
https://www.lescienze.it/news/2017/05/30/news/maturazione_corteccia_visiva_36_anni-3546764/#:~:text=Complessivamente%2C%20gli%20autori%20ritengono%20che,o%20meno%204%2C5%20anni.&text=nostra%20comprensione%20di%20come%20funziona,deficitaria%E2%80%9D%2C%20ha%20spiegato%20Murphy
La ringraziamo per aver letto in nostro articolo.
Lo staff di ingegneriabiomedica.org.
L’efficacia delle stimolazioni neurali artificiali della corteccia cerebrale occipitale può variare anche in relazione al preesistente stato di maturazione della percezione visiva (se la vista è stata persa precocemente oppure tardivamente). Quali studi sono stati fatti in merito?
Gradirei poter ricevere una traccia bibliografica degli studi fatti sui meccanismi di apprendimento visivo e sulle relative variazioni di efficacia in caso di impianti artificiali precoci o tardivi. Grazie per la cortese collaborazione.