Il primo pacemaker bionico controllato da rete neurale che “sente” il respiro
Il pacemaker, letteralmente”segna-ritmo”, è un dispositivo medico capace di stimolare elettricamente la contrazione del cuore quando questa non viene assicurata in maniera normale dal tessuto di conduzione cardiaca. Tale dispositivo da circa 61 anni rappresenta la terapia più efficace nei pazienti con bradicardia. Il primo pacemaker interno, difatti, venne impiantato a Stoccolma l’8 ottobre 1958: data che ha segnato l’inizio di un’era che vede oggi in Italia circa 90mila pacemaker e defibrillatori impiantati ogni anno.
Il primo pacemaker
Il primo pacemaker, grande quanto un dischetto da hockey e con solo due transistor, era stato progettato dall’ingegnere Rune Elmqvist, mentre ad impiantarlo fu Ake Senning, un chirurgo del Karolinska Institute. Il dispositivo, tuttavia, ebbe vita breve, perché si danneggiò durante l’impianto e smise di funzionare dopo poche ore. “Presumibilmente – ricorda Senning negli atti di un congresso a cui presentò l’operazione – avevo danneggiato il transistor in uscita con il catetere e ne avevo un altro, ma era in laboratorio. Ho impiantato l’altro pacemaker la mattina dopo”.
Evoluzione dei pacemaker nel tempo
Nel corso del tempo , i pacemaker hanno subito un’incredibile evoluzione diventando negli anni sempre più piccoli, affidabili e longevi, con un occhio di riguardo al comfort e all’estetica oltre che alla sicurezza e all’efficacia. Le ultime frontiere della cardiostimolazione sono i pacemaker senza fili che, grazie all’estrema miniaturizzazione, sono arrivati a dimensioni tali da poter essere impiantati direttamente all’interno del cuore senza necessità di elettrocateteri e incisioni chirurgiche, riducendo così drasticamente il rischio di infezione.
Tuttavia, oggi anche i pacemaker più sofisticati ignorano un fatto biologico significativo: i cuori sani non battono costantemente come un metronomo. Accelerano mentre inspiriamo e rallentano quando espiriamo. Concentrandosi su questa variazione naturale, chiamata aritmia sinusale respiratoria, Julian Paton , professore all’Università di Bristol, nel Regno Unito, che sta conducendo alcune delle ricerche in questo settore, ha messo a punto, insieme ai suoi colleghi un pacemaker bionico controllato da rete neurale che segue i ritmi naturali del cuore, compensando quelli affaticati in modo più efficiente. I risultati dello studio sono stati pubblicati la scorsa settimana su Journal of Physiology.
Primo Pacemaker bionico controllato da rete neurale
Il pacemaker bionico, ideato da Paton, riesce a leggere i segnali elettrici generati da ogni respiro e modula di conseguenza la stimolazione cardiaca, adattandosi al personale ritmo di ciascun soggetto. Tale meccanismo si discosta dai tentativi dei pacemaker attuali di regolare la frequenza cardiaca, rispondendo ai cambiamenti nel corpo con metodi relativamente rudimentali, attraverso l’utilizzo di accelerometri o rilevatori della temperatura corporea. Inoltre, se è vero che alcuni dispositivi più recenti possono stimolare il cuore in base alla respirazione, bisogna puntualizzare che questi, tuttavia, tengono traccia della respirazione media per un certo periodo di tempo, cosa ben diversa rispetto all’idea di una stimolazione intelligente modulata e personalizzata in base alla respirazione di ciascun soggetto.
Il dispositivo presenta un chip analogico basato su rete neurale sviluppato dal coautore di Paton, Alain Nogaret, presso l’Università di Bath. I risultati dei test effettuati sui ratti con insufficienza cardiaca hanno mostrato che il dispositivo ha aumentato del 20% la quantità di sangue che il cuore riesce a pompare , rispetto al pacemaker monotonico: un risultato incredibile e mai raggiunto finora. In tali esperimenti è stata registrata l’attività elettrica dei muscoli del diaframma del ratto, che si contraggono durante l’inalazione. Il chip interpreta i segnali trasmessi da un lead in tempo reale usando le equazioni di Hodgkin-Huxley, modelli matematici di come i potenziali d’azione nei neuroni vengono iniziati e propagati. Il dispositivo fornisce quindi la stimolazione elettrica all’atrio sinistro del cuore, inducendolo a battere in sincronia con la respirazione. Il vantaggio dell’utilizzo di un dispositivo analogico, rispetto ad uno digitale, è che può rispondere rapidamente ai cambiamenti nell’input dal corpo, afferma Paton. Il dispositivo è scalabile e può essere miniaturizzato in base alle dimensioni di un francobollo.
Per quanto riguarda gli sviluppi futuri, se la ricerca avanza sugli umani, secondo Paton non ci sarà bisogno di registrare segnali dal muscolo del diaframma. L’idea degli scienziati è, difatti, quella di integrare il dispositivo nei pacemaker convenzionali e misurare la respirazione rilevando i cambiamenti elettrici nella resistenza toracica.