Quando Gyorgy Levay perse parti di tutte e quattro le estremità, compresa la maggior parte del suo braccio sinistro, alla meningite nel 2010, decise di trarre il meglio da una brutta situazione.

Ha padroneggiato le sue sostituzioni protesiche all'avanguardia. Ha spostato il focus dei suoi studi universitari dall'ingegneria elettrica a quella biomedica. Il nativo ungherese trovò persino interessante il modo in cui continuava a provare sensazioni dalla mano che non possedeva più.

Ma come la maggior parte degli amputati, sentiva che mancava qualcosa. Perché le sue protesi non avevano il senso del tatto, gli sembravano attaccamenti alieni.

Grazie a un team di ricercatori della Johns Hopkins University, ha imparato come potrebbero sentirsi se fossero parte di lui. Levay è stato il principale soggetto volontario in uno studio di due anni all'università che ha dotato un arto artificiale della capacità di sentire pressione e dolore.

Guidati da Luke Osborn e Nitish Thakor, uno studente laureato e professore nel dipartimento di ingegneria biomedica della Johns Hopkins, il team ha sviluppato una forma di "pelle elettronica" che registra il tatto più o meno allo stesso modo del corpo umano.

Indossando quella "pelle, " una guaina di tessuto e gomma allacciata con sensori che il team ha chiamato e-dermis, sulla punta delle dita della sua mano sinistra protesica, Levay raccolse diversi piccoli, oggetti rotondi, poi fece lo stesso con un oggetto appuntito.

Quando si raccolgono gli oggetti arrotondati, sentiva vari livelli di pressione fisica; quando si tiene l'oggetto appuntito, sentiva dolore.

a levare, era come se un'appendice senza vita - la sua mano e il suo braccio sinistro - stessero rinascendo.

"Normalmente la mia 'mano' si sente un po' come un guscio vuoto, " ha detto in un'intervista telefonica dalla sua città natale di Budapest. "Quando queste stimolazioni elettroniche hanno iniziato a verificarsi, sembrava un po' come riempire d'acqua un guanto, quasi si riempisse di vita."

L'esperimento ha segnato la prima volta che un amputato poteva sentire una serie di pressioni fisiche benigne attraverso un dispositivo protesico e la prima volta che qualcuno ha sentito dolore.

"Per la prima volta, una protesi può fornire una gamma di percezioni, dal tocco fine al tocco nocivo, ad un amputato, e questo lo rende molto più simile a una mano umana, " disse Thakor, il co-fondatore di Infinite Biomedical Technologies, una piccola azienda con sede a Baltimora che ha fornito l'hardware protesico per lo studio.

Un articolo sullo studio è apparso sulla rivista Robotica scientifica lo scorso mese.

I progressi sono gli ultimi in un'area di ricerca che si è espansa rapidamente nell'ultimo decennio e mezzo, grazie in gran parte al lavoro svolto alla Johns Hopkins.

Non è stato fino a circa quattro anni fa, anche se, che i ricercatori della Case Western Reserve University di Cleveland e altrove hanno iniziato a prendere provvedimenti per impregnare i dispositivi protesici con il tatto.

Quei ricercatori hanno ottenuto i loro risultati applicando sensori elettronici agli arti protesici. Questi piccoli dispositivi potrebbero registrare il tocco, tradurlo in segnali elettronici e inviare i segnali attraverso una serie di fili alle posizioni appropriate in ciò che è rimasto degli arti degli utenti.

Ogni esperimento pionieristico ha i suoi limiti, e questi non facevano eccezione. Il processo ha richiesto un intervento chirurgico invasivo - gli elettrodi dovevano essere impiantati negli arti residui per ricevere i segnali e trasmetterli attraverso il sistema nervoso - e il lavoro ha fornito solo una gamma ristretta di sensazioni di pressione.

Il team di Hopkins ha deciso di espandere il menu delle sensazioni fornite, fino al dolore compreso, una categoria di sentimenti che, mentre sempre sgradevole, svolge una funzione cruciale di sopravvivenza.

"Il dolore è una sensazione che usiamo per proteggere il nostro corpo, " Osborn ha detto. "Possiamo darlo per scontato, e di certo non sempre ci piace, ma funge da sistema di allerta, aiutandoci a evitare eventi dannosi".

Il gruppo, che includeva membri dei dipartimenti di ingegneria elettrica della Johns Hopkins, ingegneria informatica e neurologia, si rivolse alla biologia per il suo modello.

Le cellule recettoriali sensoriali nella pelle umana, hanno osservato, si trovano in realtà a vari livelli, con quelli responsabili della sensazione dolorosa (nocicettori) principalmente vicino alla superficie della pelle e quelli responsabili del rilevamento della pressione (meccanocettori) situati più in profondità.

Per replicare questo sistema, hanno progettato e-dermis per avere sensori disposti in due strati, invece di uno come gli ingegneri precedenti.

Quindi la sfida era "insegnare" ai sensori in ogni strato per generare le sensazioni appropriate a quello strato.

Ancora, si sono rivolti alla biologia.

Il team ha studiato le frequenze, ampiezze e lunghezze d'onda dei segnali che il corpo normalmente invia quando genera sensazioni di pressione e dolore. Quindi hanno calibrato l'apparato sensoriale per imitare quelle variabili.

Osborn ha elaborato questo approccio "neuromorfo", cioè la creazione di una tecnologia che imita i modelli biologici.

"Sapevamo che aspetto ha un impulso elettrico per il dolore, così come impulsi che trasmettono informazioni di pressione, consistenza e così via, " ha detto. "Abbiamo creato impulsi simili e li abbiamo confrontati con ciò che i soggetti effettivamente percepiscono".

La sfida successiva era garantire che il sistema fosse spazialmente accurato, ovvero che se si verifica un contatto sul dito indice protesico, il cervello lo percepisce come proveniente da quel punto.

Hanno raggiunto questo obiettivo attraverso la "mappatura sensoriale, sondando ogni centimetro quadrato dell'arto residuo del soggetto e annotando dove il soggetto "sentiva" ciascuno di quei tocchi sulla sua mano "fantasma".

Il processo ha permesso a Osborn e alla compagnia di cablare il sensore sul dito indice, Per esempio, direttamente al nervo dell'arto residuo che normalmente si collegherebbe al dito indice reale.

La ricerca Hopkins offre a Pa. donna un nuovo braccio, 14 anni dopo l'amputazione

"Quei nervi che prima ti andavano alla mano sono ancora lì, semplicemente non sono più collegati alla mano, " Osborn ha detto. "Stimolando ciascuno di quei nervi, attiviamo la posizione nel cervello che dice 'mignolo, ' o 'indice, ' o 'pollice, ' e la sensazione dovrebbe idealmente sentirsi come prima dell'amputazione."

Avendo mappato i modelli nervosi in modo così preciso, il team è stato in grado di evitare di richiedere l'impianto invasivo di elettrodi metallici nell'arto residuo.

Hanno attaccato i fili dalla protesi alle posizioni appropriate sull'arto, ma lo facevano sulla superficie della pelle, un processo che è molto più facile sull'argomento.

Levay ha detto di averlo apprezzato su molti livelli.

Stava studiando ingegneria biomedica con una borsa di studio Fulbright alla Johns Hopkins quando Thakor e Osborn hanno iniziato la loro ricerca nel 2015.

Poiché era interessato a livello personale e professionale, e fisicamente vicino, fece il volontario ideale per lo studio, che è stato finanziato da sovvenzioni del Johns Hopkins Applied Physics Laboratory e del National Institute of Biomedical Imaging and Engineering, una divisione del National Institutes of Health, tra le altre fonti.

Il gruppo ha lavorato con un numero di volontari amputati durante lo studio, ma poiché era costantemente disponibile nel corso di mesi, Levay è emerso come il centrale, soggetto senza nome della carta, intitolato "La protesi con e-derma multistrato neuromorfo percepisce il tatto e il dolore".

Gli esperimenti furono dolorosi all'inizio, Levay ha detto con una risata, mentre Osborn cercava di trovare la giusta corrispondenza tra gli shock che ha consegnato e le sensazioni provate da Levay.

Più a lungo hanno lavorato insieme, anche se, the closer the correlation became, until the only pain he felt during the sessions came when he picked up the pointy object, signaling that the experiment had achieved its goal.

That, Egli ha detto, was pain he was only too happy to feel.

"E-dermis doesn't work perfectly yet, " Levay said, "but it's definitely a step further in bringing sensations back to the hand."

©2018 The Baltimore Sun
Distribuito da Tribune Content Agency, LLC.