Il controllo tattile condiviso migliora l'efficienza neurale durante l'uso della protesi mioelettrica

Apr 07, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 484 (2023) Citare questo articolo

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Le protesi mioelettriche cliniche mancano del feedback sensoriale e della destrezza sufficiente necessarie per completare le attività della vita quotidiana in modo efficiente e accurato. È stato dimostrato separatamente che fornire feedback tattile di segnali ambientali rilevanti all'utente o conferire alla protesi un'autorità di controllo autonomo migliora l'utilità della protesi. Pochi studi, tuttavia, hanno studiato l’effetto della combinazione di questi due approcci in un paradigma di controllo condiviso, e nessuno ha valutato tale approccio dal punto di vista dell’efficienza neurale (la relazione tra prestazione del compito e sforzo mentale misurato direttamente dal cervello). In questo lavoro, abbiamo analizzato l'efficienza neurale di 30 partecipanti non amputati in un compito di afferrare e sollevare un oggetto fragile. Qui, una protesi mioelettrica dotata di feedback vibrotattile della forza di presa e controllo autonomo della presa è stata confrontata con una protesi mioelettrica standard con e senza feedback vibrotattile. Come misura dello sforzo mentale, durante l’esperimento abbiamo catturato i cambiamenti dell’attività della corteccia prefrontale utilizzando la spettroscopia funzionale del vicino infrarosso. Ci si aspettava che la protesi con controllo tattile condiviso avrebbe migliorato sia le prestazioni del compito che lo sforzo mentale rispetto alla protesi standard. I risultati hanno mostrato che solo il sistema di controllo tattile condiviso consentiva agli utenti di raggiungere un’elevata efficienza neurale e che il feedback vibrotattile era importante per afferrare con la forza di presa adeguata. Questi risultati indicano che il sistema di controllo tattile condiviso combina sinergicamente i vantaggi del feedback tattile e dei controller autonomi ed è ben pronto per favorire tali progressi ibridi nella tecnologia delle protesi mioelettriche.

Durante la manipolazione volitiva dell'oggetto, le sensazioni tattili (propriocettive, cinestetiche e tattili) dell'arto biologico vengono utilizzate per apportare correzioni alla presa e aggiornare i modelli feedforward interni dell'oggetto e dell'ambiente1. Questo perfezionamento del modello aiuta a migliorare la velocità e la destrezza delle manipolazioni successive, in modo tale che un'interazione inizialmente esitante con un oggetto sconosciuto o fragile diventi più fluida ed efficiente con maggiore esperienza2,3. Le informazioni sensoriali sono particolarmente importanti per regolare le forze di presa per maneggiare oggetti fragili o friabili; la forza di presa deve essere sufficientemente grande da contrastare l'inerzia e la gravità, ma non abbastanza grande da schiacciare l'oggetto4. Questa conoscenza tattile viene persa nelle tipiche protesi degli arti superiori, poiché non forniscono feedback sensoriale.

Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno tentato di ripristinare il feedback tattile nelle protesi degli arti superiori (vedi revisione del 2018 di Stephens-Fripp et al.5). In particolare, sono stati compiuti sforzi significativi sull'uso di stimolazioni meccanotattili sulla pelle per fornire ai portatori di protesi segnali come la forza di presa, l'apertura della presa e lo scivolamento dell'oggetto6,7,8. Ricerche precedenti hanno dimostrato i vantaggi del feedback tattile nel migliorare le prestazioni dei compiti discriminativi e agili con una protesi mioelettrica9,10,11,12. In particolare, il feedback vibrotattile rimane un metodo semplice, ma efficace, di feedback tattile nelle protesi grazie alle sue dimensioni compatte e al basso consumo energetico13,14,15,16,17,18.

Nonostante i vantaggi dimostrati del feedback tattile per le protesi degli arti superiori, in particolare per la modulazione della forza di presa10,11,19, il controllo coerente anche delle mani mioelettriche standard rimane una sfida. Nello schema mioelettrico più semplice, il controllo diretto, la quantità di attività elettrica di una coppia di muscoli agonista-antagonista viene utilizzata per controllare un dispositivo terminale protesico a singolo grado di libertà. Il ritardo intrinseco tra l'interpretazione del feedback tattile da parte dell'utente e il successivo comando mioelettrico potrebbe rendere il movimento volitivo troppo lento20, oltre che cognitivamente impegnativo21,22.