Parte I – Attività di ricerca: Sintesi delle attività di ricerca e degli obiettivi del laboratorio

Il Laboratorio Congiunto HSR-SSSA sulle Neurotecnologie Modulari Impiantabili (MINE Lab) è un laboratorio di ricerca congiunto tra la Scuola Superiore Sant’Anna (Pisa, Italia) e l’Ospedale San Raffaele e l’Università Vita-Salute San Raffaele (Milano, Italia). Il MINE è dedicato allo sviluppo pionieristico di tecnologie impiantabili innovative e multimodali per ripristinare e valutare le funzioni sensoriali e motorie in persone con disturbi del sistema nervoso centrale e periferico. Fa parte di una più ampia iniziativa (“medicina bioelettronica”) volta a sviluppare soluzioni avanzate indossabili e impiantabili per il ripristino delle funzioni sensoriali, motorie e cognitive nelle persone con disabilità.

Il MINE è coordinato dai Prof. Pietro Mortini e Silvestro Micera per le due istituzioni. La sua missione è facilitare l’adozione delle nuove neurotecnologie impiantabili d'avanguardia in applicazioni pratiche. Per raggiungere questo obiettivo, stiamo costituendo un team multidisciplinare che lavorerà a stretto contatto con pazienti e clinici per affrontare sfide cliniche concrete. La nostra filosofia è affrontare i progetti di ricerca attraverso un approccio iterativo che prevede i seguenti passaggi (Figura 1):

1. Sviluppo di neurotecnologie personalizzate, adattate alle esigenze specifiche di ciascun individuo. Ottimizzando gli interventi, miriamo a massimizzare l’efficacia delle strategie riabilitative.
2. Monitoraggio del progresso clinico da remoto, in ambienti non strutturati e durante la vita quotidiana. Riconosciamo l’importanza di monitorare i progressi al di fuori del contesto clinico, e per farlo utilizzeremo sistemi intelligenti e multimodali che ci permettano di seguire i pazienti nel loro ambiente naturale.
3. Coinvolgimento degli stakeholder: fin dall’inizio, coinvolgeremo attivamente tutti gli attori chiave, inclusi clinici, pazienti e caregiver, nella fase di concezione delle nuove idee. Integrare le loro prospettive ci permetterà di sviluppare tecnologie più efficacemente trasferibili nella pratica clinica e nella vita quotidiana.

Il nostro obiettivo è rivolgerci a pazienti con disabilità neurologiche quali lesioni del midollo spinale, ictus, Parkinson, sclerosi multipla e sclerosi laterale amiotrofica, oltre che ad amputati e anziani con declino funzionale legato all’età. Basandoci sulla nostra vasta esperienza in neurochirurgia, ingegneria neurale, neuroriabilitazione, elaborazione di segnali e immagini biomediche, sensori indossabili e intelligenza artificiale, svilupperemo una gamma di neurotecnologie modulari innovative per:

1. Ripristinare i movimenti attraverso l’ottimizzazione delle tecnologie di neurostimolazione, sia impiantabili (stimolazione elettrica epidurale - EES) che intrafascicolari (ad es. stimolazione nervosa tramite elettrodi TIME), e dispositivi robotici per la riabilitazione;
2. Valutare i pazienti da remoto, nel loro ambiente naturale, analizzando le funzioni motorie in situazioni non strutturate (cioè a casa), mediante sensori indossabili multimodali e algoritmi di intelligenza artificiale;
3. Esplorare strategie di decodifica motoria per interfacce uomo-macchina, come le interfacce cervello-computer basate su ECoG, che permettano agli individui di controllare dispositivi esterni tramite segnali neurali;
4. Ripristinare il feedback sensoriale, inclusi gli aspetti termici, tattili e propriocettivi, con particolare attenzione allo sviluppo di modalità omologhe e multisensoriali intuitive per l’utente.

Piano di ricerca a breve termine (1–3 anni)

Per posizionare il laboratorio come punto di riferimento a livello globale, nei primi tre anni il MINE si concentrerà sullo sviluppo e il test clinico di tre principali moduli neurotecnologici, partendo dal know-how già presente nelle due istituzioni:

1. Ottimizzazione della EES per il recupero della locomozione: l’obiettivo principale è aumentare l’efficacia della EES per persone con lesioni del midollo spinale e sclerosi multipla. In particolare, puntiamo a ridurre il tempo necessario per individuare i parametri di stimolazione ottimali e a sviluppare strategie sistematiche per identificare quelli più adatti alle esigenze del singolo paziente. La nostra strategia si basa sull’uso di modelli di apprendimento automatico addestrati su dati di elettromiografia (EMG) e cinematici raccolti durante studi in corso. Questi modelli permetteranno di prevedere i parametri di stimolazione più efficaci per ciascun paziente, riducendo significativamente il processo di ottimizzazione da mesi a poche settimane.
2. Utilizzando una tecnologia chiamata Transverse Intrafascicular Multisite Electrode (TIME), possiamo stimolare selettivamente i fasci motori dei nervi del braccio. Questo approccio consente di raggiungere diversi muscoli distali da un unico punto di accesso prossimale, semplificando notevolmente la sincronizzazione muscolare e l’intervento chirurgico. Implementeremo la stimolazione intrafascicolare in pazienti post-ictus per ripristinare le funzioni di polso e mano. I test effettuati dal nostro gruppo su roditori e primati non umani hanno mostrato che questo approccio può conferire un livello di destrezza finora irraggiungibile in animali paralizzati.
3. Sviluppo della prima protesi di mano totalmente impiantabile e dotata di alta destrezza, capace di offrire controllo motorio senza sforzo e fornire feedback tattile, termico e propriocettivo per persone con amputazione dell’arto superiore.

In parallelo, svilupperemo strumenti intelligenti per la valutazione funzionale, al fine di quantificare prestazioni e capacità di utilizzo degli arti superiori e inferiori. Utilizzando algoritmi di intelligenza artificiale in combinazione con sensori indossabili e videocamere, puntiamo a facilitare valutazioni complete e automatizzate sia in ambienti clinici sia nella vita quotidiana. Tali algoritmi permetteranno la valutazione delle prestazioni in diverse attività, inclusi i test clinici standard per arti superiori e inferiori, oltre alle attività della vita quotidiana. Sfruttando il potenziale delle tecnologie sensoristiche avanzate e degli algoritmi intelligenti, intendiamo fornire una comprensione accurata e completa delle capacità funzionali di ciascun individuo.

Team e competenze (Bioingegneria)

Il team iniziale del MINE sarà composto da due ricercatori di ruolo (tenure-track), due dottorandi e un post-doc con background in bioingegneria e ampia esperienza nelle tecnologie per la neuroriabilitazione. Offriremo inoltre opportunità di tirocinio agli studenti di medicina, e collaboreremo strettamente con partner clinici coinvolti nei progetti sopra descritti per co-supervisionare studenti di dottorato in discipline clinicamente rilevanti.

Collaborazioni principali

Il MINE inizierà il proprio percorso con collaborazioni solide e durature con centri di ricerca e istituzioni rinomate, tra cui l’École Polytechnique Fédérale di Losanna (EPFL) e l’Institution de Lavigny dell’Università di Losanna (Svizzera), il KITE Research Institute presso il Toronto Rehabilitation Institute (Canada), il Politecnico di Milano, l’Università di Bologna, l’Università UFABC e l’AACD di San Paolo (Brasile), e il Clinatec (Francia). Queste collaborazioni iniziali costituiranno una solida base per il nostro lavoro.

Siamo inoltre impegnati ad ampliare la nostra rete di collaborazioni con altre organizzazioni, sia a livello nazionale che internazionale, promuovendo lo scambio di idee e la mobilità di talenti. Per sostenere ed espandere questi progetti, ci impegneremo attivamente nella ricerca di finanziamenti attraverso il programma Horizon Europe, oltre che da fondazioni nazionali e internazionali come Fondazione Cariplo e Wings For Life.

Piano a lungo termine (3–10 anni)

Dopo i primi 3 anni e una volta stabilite le nostre attività nei campi del recupero della locomozione tramite stimolazione spinale, del movimento del braccio tramite stimolazione nervosa e del feedback sensoriale, estenderemo le nostre attività combinando diversi moduli neurotecnologici per affrontare altre disfunzioni.

Stimolazione multimodale per il recupero motorio

Dopo la validazione di diversi moduli di recupero motorio, considereremo l’uso sinergico di più elettrodi, come la stimolazione epidurale e quella nervosa. È stato dimostrato che la stimolazione epidurale cervicale aiuta i pazienti post-ictus nei movimenti di raggiungimento. L’integrazione di più moduli potrebbe quindi permettere sia il raggiungimento che la presa degli oggetti.

La stimolazione intrafascicolare degli arti inferiori integrata con la stimolazione epidurale rappresenterebbe un’altra applicazione rivoluzionaria. La stimolazione tramite elettrodi TIME consente di attivare gruppi muscolari specifici del ginocchio e dell’anca (cosa non possibile con la sola EES) e potrebbe essere utilizzata per aiutare l’utente a mantenere la posizione eretta. In combinazione con l’EES, ciò potrebbe permettere sia lo stare in piedi che il camminare in autonomia.

Sfruttando le tecnologie indossabili sviluppate nei primi tre anni per misurare gli output motori, svilupperemo strategie di controllo motorio a ciclo chiuso, affrontando così una delle principali difficoltà del recupero motorio dovuta all’elevata variabilità della risposta muscolare (es. fatica muscolare e riflessi spinali nei pazienti con lesione midollare).

L’approccio di stimolazione multimodale potrà essere testato su pazienti con ictus, sclerosi multipla e Parkinson.

Feedback sensoriale multimodale

Il nostro gruppo continuerà a sviluppare moduli per il feedback sensoriale, fornendo sensazioni naturali e omologhe. Studieremo l’interazione tra i diversi moduli neurotecnologici, utilizzando la stimolazione nervosa ed epidurale per fornire sensazioni tattili e propriocettive, e approcci non invasivi per fornire feedback termico. Studieremo gli effetti a lungo termine del feedback sensoriale multimodale sull’embodiment, sulla percezione del proprio corpo e sul miglioramento delle funzioni motorie. I moduli saranno impiegati sia in pazienti con disordini neurologici (es. lesione spinale) sia con amputazione di arto, studiando anche l’effetto del feedback nella riduzione del dolore dell’arto fantasma.

Interfacce cervello-corpo e protocolli riabilitativi multipli

Studieremo interfacce bidirezionali brain-body sia come strumenti assistivi che riabilitativi. Considereremo ancora una volta varie combinazioni di moduli neurotecnologici per soluzioni personalizzate. Ad esempio, per il recupero del movimento della mano, utilizzeremo strategie di decodifica basate su ECoG da integrare con i nostri moduli di ripristino del movimento. Per il movimento degli arti inferiori, useremo BCI basati su EEG con stimolazione spinale per innescare il movimento. Gli effetti a lungo termine di tali protocolli saranno confrontati con quelli di training locomotorio classico con supporto del peso corporeo o con dispositivi robotici come il Lokomat.

Obiettivi finali (10 anni e oltre)

L’obiettivo finale del laboratorio è promuovere le neurotecnologie come standard di cura per persone con diverse tipologie di disabilità, contribuendo alla nascita della nuova era della “medicina bioelettronica”. Vogliamo rendere le neurotecnologie accessibili anche al di fuori del laboratorio, grazie all’impiego di tecnologie indossabili all’avanguardia e sistemi di monitoraggio automatizzati. Le nostre soluzioni permetteranno un uso prolungato a domicilio, garantendo accessibilità, sicurezza e un impatto positivo anche sulla popolazione anziana. Infine, estenderemo i nostri studi ad altre modalità come la stimolazione ottica del nervo o corticale, con applicazione come protesi visive.