E-Dermis, la pelle prostetica che restituisce il dolore

I ricercatori della Johns Hopkins University hanno sviluppato una pelle prostetica, chiamata E-Dermis, che riesce a percepire e trasmettere la sensazione di dolore agli utenti che utilizzano protesi. Sebbene di primo impatto potrebbe sembrare assurdo voler restituire la sensazione di dolore, basta ricordare a cosa serve questa sensazione per capire quanto questo nuovo dispositivo sia rivoluzionario.

La percezione del tatto e del dolore sono componenti fondamentali della nostra vita quotidiana. Queste sensazioni, infatti, ci danno informazioni importanti rispetto al mondo che ci circonda e ci proteggono da eventuali danni. Se ci avviciniamo troppo a una fonte di calore, ci ritraiamo prima di bruciarci. Se urtiamo un oggetto che ci provoca dolore, ce ne allontaniamo prima di farci del male. Questo grazie al nostro istinto, che in realtà è guidato dal senso del tatto e dalla percezione del dolore.

Il dolore, quindi, è il primo campanello d’allarme che ci avverte che qualcosa potrebbe arrecarci un danno. Sebbene le protesi di ultima generazione possiedono meccanismi di controllo che permettono all’utente di riacquistare molte funzionalità, non esiste ancora il concetto del dolore. Questo può portare a non accorgersi di una situazione dannosa e, quindi, a rovinare o rompere la protesi.

La pressione applicata su E-Dermis è trasmessa al cervello dell’utente attraverso uno stimolatore elettrico dei nervi impiantato nel braccio sopra la protesi, permettendo al sistema di emulare la sensazione reale. Durante i test dello studio, pubblicato su Science Robotics, un volontario ha potuto distinguere tra oggetti lisci o affilati.
Per capire meglio l’importanza di E-Dermis, bisogna considerare che un danno ad una protesi si potrebbe tradurre in un danno economico per l’utente molto alto, considerato che una protesi di ultima generazione può arrivare a costare anche $70.000. Oltre a questo, una protesi che sia in grado di percepire il mondo che la circonda acquisisce un valore aggiunto.

Chiaramente la sensazione di dolore non è piacevole e quindi bisognerebbe minimizzare la quantità di dolore a cui le persone sono regolarmente esposte. Secondo gli autori di questo studio, una protesi ideale dovrebbe permettere all’utente di mantenere un controllo completo della situazione e di scegliere di annullare i riflessi del dolore, qualora lo desiderino.

L’obiettivo finale è proprio una protesi che permetta agli utenti di poter “spegnere” la funzione del dolore, mantenendo un riflesso automatizzato che allontani la protesi stessa dalla potenziale fonte di danno. Nel frattempo, i ricercatori della Johns Hopkins University stanno cercando di creare una protesi più realistica possibile, che sia in grado di rilasciare una ricca diversità di informazioni tattili, incluso il dolore.

La E-Dermis è stata creata partendo da come la sensazione di dolore funziona nella pelle naturale. Hanno quindi modellato il modo in cui le cellule nervose della pelle, chiamate nocicettori, processano il dolore e trasmettono il segnale risultante al cervello per l’elaborazione tramite i meccanocettori.
I meccanocettori inviano al cervello informazioni riguardo tutto ciò che tocchiamo. Questo è il motivo per cui riusciamo a percepire la pressione o la consistenza degli oggetti. I nocicettori, d’altro canto, comunicano la sensazione di dolore quando tocchiamo qualcosa di affilato o ci tagliamo.

E-Dermis è una pelle elettronica multistrato che, quindi, vuole replicare questa differenza di comportamento nei diversi recettori. I ricercatori hanno creato un sistema neuromorfico, ovvero un dispositivo che riesce a mimare il comportamento del sistema nervoso attraverso dei circuiti. Questo modello neuromorfico prende l’output dell’E-Dermis (ovvero l’informazione tattile prodotta quando un oggetto viene toccato) e la trasforma in spike elettrici (o segnali neurali), che replicano il comportamento dei meccanocettori e dei nocicettori. Questi spike vengono quindi utilizzati per stimolare elettricamente i nervi periferici del volontario attraverso la stimolazione nervosa transcutanea.

Uno degli aspetti più sensazionali è stato che l’utente ha riportato che la sensazione risultava come arrivare direttamente dalla mano fantasma. Durante i test è stato acquisito anche l’EEG del volontario, che ha evidenziato che le aree maggiormente attivate erano proprio quelle associate alla mano.

Un riflesso automatizzato (su cui l’utente non ha nessun controllo) aggiunto al sistema lo ha reso più somigliante a ciò che accade nel nostro corpo. Quando la protesi tocca un oggetto appuntito, le dita si ritraggono automaticamente e questo permette di limitare eventuali danni. Questo studio è solo la punta dell’iceberg, ma ci dà ancora più speranza rispetto alla possibilità di restituire le funzionalità perse a chi ha subito un’amputazione.