Stimolazione Spinal Cord Transcutanea Multielettrodo a Ciclo Chiuso con Intelligenza Artificiale: Regolazioni in Tempo Reale per un Recupero Motorio Migliorato in Caso di Lesione del Midollo Spinale (AIM RECOVER) (AIM RECOVER)

La lesione del midollo spinale (SCI) è una condizione debilitante che colpisce circa 20,6 milioni di individui in tutto il mondo, con un'incidenza annuale di 0,9 milioni. A Singapore, la prevalenza di SCI è aumentata da 5-6 ogni 100.000 nel 1990 a 13-15 ogni 100.000 nel 2019. La SCI spesso comporta deficit neurologici profondi e di lunga durata, in particolare a livello della funzione motoria, portando a limitazioni significative nelle attività della vita quotidiana (ADL) e nella deambulazione. I costi associati al trattamento acuto, alla riabilitazione e all'assistenza a lungo termine per la SCI sono sostanziali. Sebbene le strategie di riabilitazione convenzionali rimangano essenziali, la loro efficacia nel ripristinare la funzione motoria perduta è limitata, lasciando molti individui con una disabilità permanente.

La stimolazione del midollo spinale (SCS) è emersa come una promettente tecnica di neuromodulazione per migliorare il recupero neurologico dopo una SCI. La SCS fornisce impulsi elettrici per attivare le fibre afferenti, potenziando le connessioni interneuronali, l'eccitabilità dei motoneuroni e la comunicazione tra le reti spinali. La SCS può essere ampiamente classificata in SCS epidurale (eSCS) e SCS transcutanea (tSCS). Grazie alla sua natura non invasiva e al potenziale terapeutico, la tSCS ha attirato notevole attenzione, con numerosi studi che ne dimostrano l'efficacia nel migliorare la funzione motoria dopo una SCI. La maggior parte degli attuali protocolli tSCS per il controllo motorio degli arti inferiori prevede il posizionamento di uno o due elettrodi attivi sopra la colonna toracolombare (T10 - L2), con siti e parametri di stimolazione fissi durante ogni sessione. Questo approccio si basa sull'ipotesi che la tSCS aumenti l'eccitabilità complessiva della rete neurale incrementando l'input sensoriale. Tuttavia, la mancanza di una stimolazione muscolo-specifica può portare a una co-contrazione indesiderata dei muscoli antagonisti, ostacolando il movimento funzionale e riducendo l'efficienza complessiva del passo.

Evidenze emergenti indicano che l'eccitabilità del midollo spinale risponde dinamicamente alle variazioni dei siti e dei parametri di stimolazione. La eSCS spazialmente selettiva con elaborazione in tempo reale ha dimostrato di ripristinare rapidamente il controllo motorio volontario anche in individui con SCI cronica e motoria completa. Negli studi sugli animali, approcci integrati che combinano la stimolazione epidurale del midollo spinale con la stimolazione muscolare periferica, progettati per mimare i circuiti di feedback sensoriale e di contrazione muscolare feedforward, hanno dimostrato effetti sinergici, fornendo una struttura per lo sviluppo di sistemi di neuromodulazione per migliorare il recupero motorio dopo la SCI. Negli studi sull'uomo, un altro team di ricerca ha riportato che la tSCS multielettrodo con stimolazione continua per coinvolgere le reti del generatore centrale di pattern (CPG) in combinazione con una stimolazione alternata spazio-temporale mirata alle radici dorsali che proiettano ai pool motori flessori ed estensori della gamba, può indurre attività locomotoria alternata. In modo notevole, questo approccio ha permesso il recupero immediato della funzione locomotoria in individui con gravi deficit motori degli arti inferiori, anche in caso di SCI clinicamente completa.

Ad oggi, l'efficacia relativa della combinazione della stimolazione continua con la modulazione spazio-temporale, rispetto alla sola stimolazione continua, non è stata ancora valutata sistematicamente nell'uomo. Questo studio mira a colmare queste lacune sviluppando e valutando un sistema tSCS multielettrodo a circuito chiuso alimentato dall'intelligenza artificiale che integra la stimolazione continua della linea mediana con una modulazione spazio-temporale guidata dal feedback in tempo reale. Il sistema sfrutta sensori cinematici indossabili e l'elettromiografia di superficie (EMG) per regolare dinamicamente tempistiche e intensità della stimolazione in base ai pattern di deambulazione e attivazione muscolare in corso. Allineando l'erogazione della stimolazione alle richieste motorie fisiologiche, l'approccio proposto cerca di migliorare la selettività muscolare, ottimizzare il reclutamento motorio degli arti inferiori e migliorare le prestazioni del passo in individui con SCI incompleta.

Se avrà successo, questo studio fornirà prove cruciali a sostegno di strategie di neuromodulazione adattive guidate dall'intelligenza artificiale e getterà le basi per sistemi tSCS di prossima generazione che coinvolgano più efficacemente i circuiti sensorimotori spinali per promuovere il recupero funzionale dopo la SCI.