Una Piattaforma Mobile di Imaging Cervello/Corpo per la Valutazione e Ottimizzazione dei Trattamenti di Deambulazione Robotica a Terra Post-Ictus (COBI)

Per ottenere una mobilità efficiente, il nostro cervello recluta dinamicamente diversi sottoinsiemi muscolari per creare strategie di movimento che ci consentono di muoverci e interagire con l'ambiente. La nostra capacità di muoverci è il risultato di interazioni che coinvolgono processi tra cui motivazione, adattamento ai cambiamenti nell'ambiente (ad esempio, per far fronte a variazioni del terreno), distrattori (ad esempio, camminare mentre si parla al telefono) oltre che pianificazione ed esecuzione motoria. Queste interazioni si esprimono attraverso un complesso controllo dei parametri del passo tra cui velocità, ritmicità e sequenza delle co-attivazioni muscolari, nonché adattamenti posturali necessari per far fronte alle sfide degli eventi esterni. Informazioni corrette da tutti i sistemi sensoriali coinvolti sono sinergicamente necessarie nel comportamento attivo e nel controllo posturale.

Una vasta gamma di cause come danni neurologici, incidenti stradali e invecchiamento sono responsabili di deficit locomotori che riducono notevolmente la qualità della vita limitando considerevolmente l'indipendenza quotidiana. L'ictus è la seconda causa di morte a livello mondiale, con 6,7 milioni di casi registrati nel 2012, e si stima che il 50% dei sopravvissuti soffra di menomazioni motorie o cognitive permanenti. L'emiparesi, una delle sequele più comuni dell'ictus, è una delle principali cause di disabilità a lungo termine e spesso comporta disturbi dell'equilibrio e "caduta del piede", caratterizzata dall'incapacità di sollevare completamente le dita dei piedi da terra durante la fase oscillante del passo in oltre l'80% dei sopravvissuti all'ictus. L'ictus riduce la capacità di reclutare i muscoli e di percepire correttamente il corpo, spesso con conseguente non-uso appreso della parte del corpo interessata. La ridotta capacità di elaborazione delle informazioni dopo un ictus compromette la capacità di distribuire efficientemente la concentrazione a due o più compiti (doppio compito), con una maggiore difficoltà nelle attività della vita quotidiana che richiedono l'esecuzione simultanea di più compiti (ad esempio, camminare e parlare).

Poiché le capacità di elaborazione sensorimotoria sono alterate, i pazienti non sono in grado di interagire liberamente con l'ambiente poiché tutta la loro energia mentale viene "usurpata" dal semplice atto di posizionare una gamba dopo l'altra. Non hanno la "larghezza di banda mentale" che normalmente diamo per scontata e che ci consente, ad esempio, di avere una piacevole conversazione con altre persone che camminano con noi. Infatti, a causa della perdita di larghezza di banda fisica e mentale in condizioni di doppio compito, i sopravvissuti all'ictus spesso subiscono cadute, portando a una mancanza di fiducia, ansia e in alcuni casi agorafobia. È anche probabile che sperimentino una diminuzione della motivazione e dell'impegno nel trattamento di recupero, spesso entrando in una spirale di circolo vizioso dannoso per il successo di qualsiasi terapia di riabilitazione tentata.

Il deficit del passo è considerato una delle sequele disabilitanti più gravi dell'ictus, poiché uno degli obiettivi primari dei pazienti è essere in grado di camminare e gestire le attività della vita quotidiana in modo indipendente. L'ictus induce modifiche nella locomozione, che è il mezzo principale di gestione quotidiana della mobilità. La riabilitazione del passo è quindi l'obiettivo primario della riabilitazione post-ictus, soprattutto data la sua stretta relazione con il deterioramento cognitivo. Considerando l'aumento costante di persone che richiedono riabilitazione o trattamento assistenziale ogni anno e la scelta sempre più ampia di trattamenti disponibili, la valutazione e lo sviluppo di strategie personalizzate adeguate per affrontare i deficit del passo è ora una priorità imminente.

Sfortunatamente, i risultati della riabilitazione sono spesso incerti poiché sono associati a motivazione, coinvolgimento e attenzione. Il coinvolgimento dei pazienti, infatti, determinerà l'efficacia della terapia per coinvolgere l'apprendimento motorio (cioè, il riconoscimento della discrepanza tra risultati effettivi e attesi durante l'apprendimento guidato dall'errore), che è un prerequisito essenziale per l'adattamento (cioè, la modifica di un movimento, prova dopo prova, basata sul feedback dell'errore).

In breve, la riabilitazione deve essere eseguita in modo a circuito chiuso, in cui i pazienti sono attivamente coinvolti nella terapia di riabilitazione o addirittura hanno una misura di controllo su di essa mentre ricevono feedback e "ricompense" che possono promuovere l'integrazione sensorimotoria e l'elaborazione multisensoriale nel Sistema Nervoso Centrale (SNC). La riabilitazione agisce sui meccanismi di plasticità cerebrale, ovvero la capacità intrinseca del cervello di reagire come un sistema altamente dinamico che può cambiare le proprietà dei suoi circuiti neurali. La riorganizzazione degli elementi sopravvissuti del SNC supporta il recupero comportamentale, ad esempio, attraverso cambiamenti nella lateralizzazione interemisferica, nell'attività delle cortecce associative collegate alle zone lesionate e nell'organizzazione delle mappe di rappresentazione corticale. La riabilitazione con l'uomo nel circuito, agendo sui meccanismi dell'apprendimento basato sull'errore e sulla ricompensa, può indirizzare la riorganizzazione molto più efficacemente verso l'aumento della rappresentazione delle mappe sensorimotorie, parzialmente (se non completamente) perse dopo un ictus.

La riabilitazione convenzionale del movimento si basa principalmente sull'osservazione diretta e sulla mobilizzazione degli arti inferiori da parte dei terapisti, seguita da passo assistito a terra, sia passivo che attivo, utilizzando compiti motori specifici del contesto e relativi feedback. Nelle tecniche "neurofisiologiche", il fisioterapista, basandosi sulla conoscenza neurofisiologica dei principi del passo, agisce come "problem solver" e "decision maker", con il paziente che agisce come ricevente passivo. Nelle tecniche di "apprendimento motorio", d'altra parte, è richiesto il coinvolgimento attivo del paziente insieme alla valutazione neuropsicologica. Per migliorare il coinvolgimento dei pazienti, la standardizzazione e l'efficacia della terapia, possono essere utilizzati trattamenti neurofisiologici di apprendimento motorio arricchiti che includono dispositivi robotici di assistenza (esoscheletri).

Negli ultimi 20 anni, è stato proposto un numero schiacciante di combinazioni di trattamenti arricchiti e convenzionali per aumentare la motivazione dei pazienti con biofeedback interattivo o dando ai pazienti una misura di controllo sui dispositivi robotici di assistenza. Nonostante un intenso dibattito sui meriti di ciascuna soluzione, tuttavia, non ci sono ancora prove sufficienti per indicare chiaramente quale approccio sia più efficace (e soprattutto, perché) nel promuovere il recupero del passo dopo l'ictus. Infatti, ci manca ancora la conoscenza necessaria per applicare tale tecnologia nel modo migliore possibile in relazione alle condizioni del singolo paziente, specialmente nel caso della riabilitazione del passo.

Negli ultimi anni, la Mobile Brain/Body Imaging (MoBI) ha guadagnato slancio nella comunità scientifica come paradigma emergente per studiare congiuntamente cervello e comportamento e soprattutto locomozione, anche al di fuori delle impostazioni di laboratorio. MoBI può essere utilizzata per fornire al clinico informazioni utili per valutare i progressi della riabilitazione "codificando" i correlati neurali del passo mediante la valutazione della connettività cervello-muscolo durante il movimento piuttosto che prima/dopo il compito come nella pratica attuale. MoBI in tempo reale può anche essere utilizzata per decodificare l'intenzione di movimento del paziente sulla base della quale eseguire la somministrazione di stimoli (ad esempio, attraverso FES, esoscheletri, ecc.), aumentando così il coinvolgimento e promuovendo la riorganizzazione plastica. Tuttavia, lo sviluppo di successo delle configurazioni MoBI è ancora una sfida tecnologica. Le tecniche di neuroimaging non sono portatili (ad esempio, Risonanza Magnetica, Magnetoencefalografia) o mancano della risoluzione temporale necessaria per catturare modulazioni intra-passo quasi istantanee dell'attività neurale durante la locomozione (ad esempio, spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso - fNIRS) a causa della velocità di variazione del marcatore fisiologico che utilizzano (ad esempio, livello di ossigeno nel sangue per fNIRS). L'elettroencefalografia (EEG) è l'unica tecnica sufficientemente portatile, non invasiva e con la risoluzione temporale necessaria per rilevare anche tali modulazioni dell'attività cerebrale durante la deambulazione. Tuttavia, l'EEG è altamente sensibile agli artefatti da movimento e richiede di risolvere sfide tecnologiche chiave e sviluppare pipeline di analisi complesse e spesso scoraggianti. In ogni caso, MoBI con EEG, sebbene impegnativa, non è impossibile: ad oggi, diversi autori hanno mostrato pattern intra-passo di attivazione e disattivazione correlati alla fase del passo, ad esempio, dimostrando anche un collegamento direzionale tra aree corticali sensorimotorie e muscoli delle gambe durante il passo stereotipato, ma studi di riabilitazione del passo con valutazione neuromuscolare MoBI in condizioni ecologiche naturali sono ancora criticamente mancanti. Inoltre, rimane la seguente domanda tecnica/scientifica: "come possiamo distinguere l'attività neurale correlata al movimento dagli artefatti di movimento e meccanici? Atalante X: un cobot indossabile motorizzato rivoluzionario. È un esoscheletro collaborativo che consente ai pazienti con grave deficit del passo, compresi quelli con disfunzione degli arti superiori o sfide cognitive, di alzarsi e camminare senza l'uso delle mani; è l'unico cobot dotato di 12 motori a livello di anca, ginocchio e caviglia che consente all'essere umano di trasformare l'intenzione di movimento in movimento effettivo.

Il progetto mira a ottimizzare le soluzioni high-tech all'avanguardia di ATALANTE X personalizzando il trattamento riabilitativo del passo per pazienti con ictus utilizzando:

1. Caratterizzazione della Flessibilità Cognitiva del paziente utilizzando il sistema Dessintey. Dessintey è una tecnologia unica dedicata alla pianificazione motoria e al controllo centrale del movimento basata sull'addestramento di simulazione visuomotoria che combina approcci di Osservazione dell'Azione-Immaginazione Motoria-Terapia allo Specchio. Infatti, ogni volta che un movimento viene osservato, il cervello simula istantaneamente e senza sforzo questo stesso movimento; in questo modo è possibile aumentare l'immaginazione e la percezione del corpo.
2. Monitoraggio e valutazione dell'interazione Uomo-Cobot utilizzando biomarcatori neurali EEG-EMG dinamici rivoluzionari utilizzando Mobile Brain/Body Imaging (MoBI)