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Orion e la stimolazione neurale dinamica: il nuovo modo di “vedere” le protesi corticali visive

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Scritto da Renato De Falco

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.
Figura 2: Posizionamento del componente intraoculare sia delle protesi epiretiniche che subretiniche. Credits: MEMS Journal

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).

Figura 3: Protesi corticale visiva. Credits: Second Sight

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.

Figura 4: L’analogia che intercorre tra stimolazione tattile e stimolazione visiva. (A) La “stimolazione tattile statica” nel palmo della mano si traduce in una percezione amorfa. In alternativa la (B) “stimolazione tattile dinamica” si basa sul tracciare la forma della lettera nel palmo della mano, fornendo una percezione coerente della forma desiderata. Nel caso della stimolazione visiva, il principio resta lo stesso. Con la (C) “stimolazione statico-elettrica”, il segnale elettrico viene erogato contemporaneamente da alcuni elettrodi (punti blu nell’immagine), avendo come risultato, anche in questo caso, una percezione visiva amorfa. La (D) “sterzatura dinamica della corrente” prevede invece l’erogazione di corrente in modo sequenziale (in figura nel verso della freccia bianca), ottenendo una percezione visiva più affidabile. Credits: Cell Scientific Journal

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).

Figura 5: Alcuni particolari tipi di fosfeni per mappe retinotopiche.

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).

Figura 6: Il sistema di visione bionico Gennaris.

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
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Renato De Falco

Studente di Ingegneria Biomedica presso l'Università Federico II di Napoli. Appassionato di Digital Health e tecnologie, principalmente in ambito biomedicale.

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