MEDICINA
e
r
a
t
s
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u
q
e
c
r
a
a
i
t
R
s
i
u
Riacq
l’equilibrio
l’equilibrio
con un orecchio bionico
in sintesi
■ Disturbi
del sistema
vestibolare dell’orecchio
interno possono provocare
vertigini, oltre a una visione
tremolante e sfuocata.
■ Tre
strutture semicircolari
che si trovano nell’orecchio
interno misurano la
rotazione della testa.
■ Attualmente
sono in fase
di sviluppo protesi in grado
di sostituire la funzione di
questi canali semicircolari,
in modo da ristabilire
l’equilibrio.
84 LE SCIENZE
di Charles C. Della Santina
S
e chiedete ai vostri amici di elencare i sensi
del corpo vedrete che probabilmente si fermeranno a cinque: gusto, tatto, vista, olfatto e udito. La maggior parte non citerà il sesto
senso di cui comunque è dotato: la sensazione di
come la testa si orienta e si muove. La perdita di
questa capacità può però causare vertigini violente
e invalidanti, seguite da instabilità cronica e visione sfuocata quando si muove la testa. Per fortuna
assistiamo a progressi significativi nello sviluppo di
orecchie bioniche che ristabiliscano l’equilibrio in
persone con danni al labirinto vestibolare dell’orecchio interno, la struttura che fornisce il sesto senso.
Purtroppo queste protesi non saranno disponibili in tempo utile per Richard Gannon, caldaista di
57 anni in pensione, con casa in Pennsylvania e in
Florida. Gannon ha perso la maggior parte del senso dell’equilibrio sei anni fa, dopo aver sofferto di
un’apparente malattia virale. «Voglio essere il primo a ricevere un impianto vestibolare», dice. «Da
cinque anni sto aspettando che mi chiamino. Non
appena un impianto del genere sarà disponibile andrò a piedi in ospedale, se necessario».
«Una volta in pensione mi sono trasferito in una
casa vicino alla spiaggia perché adoro il mare. Ma
da quando ho perduto l’equilibrio non posso camminare in linea retta, specialmente sulla sabbia»,
racconta Gannon, che in passato è stato un appassionato nuotatore. «Oggi capita che le mamme allontanino da me i loro bambini, credendomi ubriaco. Se sto in piedi sui pochi centimetri di spuma
sul bagnasciuga mi sento come se stessi per cadere. Guido pochissimo, e comunque mai di notte, perché per ogni fanale di macchina che incontro ne vedo venti…».
Sebbene durante il giorno Gannon si senta abbastanza sicuro al volante, di notte le scie prodotte
dalle luci della strada quando sfrecciano nel suo
campo visivo appaiono «come un fascio laser. Rinuncerei all’udito se in questo modo potessi recuperare l’equilibrio». I recenti progressi nella realizzazione di impianti cocleari, detti anche orecchie
bioniche, fanno ben sperare Gannon e altre decine di migliaia di persone che hanno subito un danno all’orecchio interno in seguito all’assunzione di
certi antibiotici (come la gentamicina) o come conseguenza di una chemioterapia, di meningite, della
sindrome di Ménière o di altre malattie.
Grazie al labirinto
In modo molto simile agli impianti cocleari, che
ripristinano l’udito stimolando elettricamente parti del nervo uditivo, questo nuovo tipo di orecchio
bionico fornirà stabilità stimolando elettricamente
il nervo vestibolare, che trasmette i segnali dal labirinto vestibolare al cervello. La connessione elettrica di questo dispositivo al nervo aggirerà il sistema vestibolare difettoso.
Un labirinto sano svolge due funzioni importanti. La prima consiste nel distinguere tra alto e
basso, e in quale direzione stiamo andando. Queste
informazioni ci servono per stare in piedi e camminare normalmente. La seconda funzione del labirinto consiste nel percepire come si sta girando
la testa, un’informazione necessaria se vogliamo tenere gli occhi fissi su un punto. Per esempio,
ogni volta che alziamo la testa il labirinto istruisce
gli occhi a ruotare verso il basso alla stessa velocità per mantenere stabili le immagini sulla retina.
Senza questo riflesso vestibolo-oculare il mondo
502 giugno 2010
Gerard Slota
Pazienti con
vertigini
invalidanti
potrebbero
riconquistare
una visione
chiara e il senso
dell’equilibrio
grazie a protesi
elettroniche in
fase di sviluppo
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LE SCIENZE 85
Uno strumento per ritrovare l’equilibrio
ci apparirebbe come un film girato con una cinepresa traballante priva di cavalletto. Questo riflesso dovrebbe essere sostituito dalle protesi bioniche
in modo da ripristinare la maggior parte dell’equilibrio perduto, anche se non tutto.
Il labirinto vestibolare misura le rotazioni della
testa usando tre strutture piene di liquido chiamate
canali semicircolari, nome dovuto alla loro forma
che ricorda quella di un hula-hoop. I tre canali si
incontrano l’uno con l’altro formando un angolo
retto, in modo da registrare la rotazione della testa
nelle tre dimensioni dello spazio.
Per esempio, un canale misura la rotazione sul
piano orizzontale. Quando ruotiamo la testa verso sinistra, il liquido esercita una pressione su una
membrana che si estende attraverso un’estremità del dotto, piegando proiezioni simili a capelli,
chiamate ciglia, su cellule nella base della struttura. Il piegamento delle ciglia innesca segnali nei
nervi vestibolari, che raggiungono il tronco encefalico e il cervelletto, entrambi deputati alla percezione sensoriale e al controllo motorio. A loro
volta, tronco e cervelletto inviano messaggi ai muscoli che poi ruotano gli occhi in direzione opposta a quella in cui si sta muovendo la testa.
Sistema
vestibolare
La struttura intricata del labirinto vestibolare dell’orecchio interno è essenziale per
l’equilibrio. Danni a questa struttura causano infatti instabilità e visione sfocata.
I ricercatori stanno facendo progressi nella realizzazione di una protesi che compensi
un danno del genere, in modo simile alle protesi acustiche che compensano il danno
a un’altra struttura dell’orecchio interno, la coclea.
Canali
semicircolari
Superiore
Nervo
vestibolare
Posteriore
Nervo vestibolare
Utricolo
Orizzontale
Coclea
Timpano
Canale
uditivo
Sacculo
Coclea
t
recchio interno:
O
non solo una questione di udito
Il sistema vestibolare comprende tre strutture piene di liquido
e simili a un hula-hoop, chiamate canali semicircolari, ciascuno
dei quali contiene una struttura, denominata ampolla, a
un’estremità. L’ampolla percepisce la rotazione della testa nelle
tre dimensioni e, come altri sensori nell’orecchio interno, si
basa su cellule specializzate che traducono il movimento del
liquido in segnali nervosi. Altre strutture nel sistema – utricolo e
sacculo – informano il cervello sull’orientamento della testa
rispetto alla forza di gravità. La protesi descritta dall’autore
dovrebbe sostituire la funzione dei canali semicircolari.
Cresta
Ampolla
Una protesi per la stabilità
Testa ferma
Cupola
Stereociglia
Liquido
Cellula ciliata
Nervo vestibolare
Cresta
t A
ritmo di flusso
Quando la testa è ferma, il fluido dei
canali semicircolari non si muove e le
fibre del nervo vestibolare scaricano a un
tasso costante (in alto). Quando la testa
ruota (in basso), il fluido piega una cupola
(membrana flessibile che attraversa il
canale). Le cellule ciliate traducono
questo movimento in segnali elettrici che
sono ritrasmessi dai nervi vestibolari ad
altre parti del cervello. Questi impulsi
guidano i riflessi che ruotano gli occhi
nella direzione opposta alla rotazione
della testa, permettendo agli occhi di
continuare fissare un punto e quindi
mantenere l’equilibrio.
per l’equilibrio:
un bypass elettronico
La protesi in fase di sviluppo userà un giroscopio in miniatura
per percepire la rotazione della testa, sostituendosi alle strutture
difettose dell’orecchio. Il giroscopio si trova in un’unità
impiantata dietro l’orecchio, ed è composta da una ruota
microelettromeccanica vibrante (realizzata usando la
fotolitografia impiegata per incidere i microchip dei computer).
Quando la testa si muove, la ruota si piega leggermente
cambiando la tensione su condensatori vicini alloggiati
nell’impianto. ●
1 Un microprocessore nel giroscopio rileva
questo cambiamento e invia segnali agli elettrodi inseriti
nell’orecchio interno ●
2 , i quali ritrasmettono l’informazione al
nervo vestibolare ●
3 , quindi al tronco
encefalico e, infine, ai nervi che adeguano
la posizione degli occhi.
Giroscopio
Testa che ruota
Batteria
esterna
1
●
La cupola
percepisce
la direzione del
flusso di liquido
Il nervo
vestibolare è
stimolato
86 LE SCIENZE
Con i miei colleghi del Johns Hopkins Vestibular
Neuroengineering Laboratory abbiamo sviluppato e sperimentato sugli animali uno degli impianti interessanti per Gannon. Il dispositivo contiene un giroscopio miniaturizzato (micromeccanico)
q Aiuto
Impianto composto da
microprocessore e sensore
Serie
di elettrodi
2
●
Nervo vestibolare diretto
al tronco encefalico
3
●
Illustrazioni di Andrew Swift (pagina a fronte);
cortesia Keith Weller, Johns Hopkins Medicine (Della Santina); cortesia Richard Gannon (Gannon)
Ampolla
Il primo volontario per l’impianto di una protesi
cocleare è un ex operaio, Richard Gannon,
diventato disabile sei anni fa in seguito a malattia.
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che misura i movimenti della testa nelle tre dimensioni, e il suo microprocessore invia segnali a elettrodi che stimolano tre rami del nervo vestibolare.
L’elettronica e le tecnologie sensoriali sperimentate
in oltre 120.000 impianti cocleari negli ultimi 25
anni forniranno alcune basi tecnologiche per questa nuova generazione di impianti neurali, facilitando il passaggio dalla ricerca all’uso clinico.
In genere impiantiamo il dispositivo solo da
un lato perché vogliamo limitare i rischi chirurgici, come la possibilità di danneggiare strutture
dell’orecchio interno coinvolte nell’udito, a un solo orecchio. I nostri esperimenti sugli animali indicano che una protesi che rimpiazzi la funzione
di un gruppo di canali semicircolari fornirà sufficiente stabilità ed equilibrio a pazienti con disturbo vestibolare. Forse si potrà anche ripristinare la
funzione di strutture dell’orecchio interno che funzionano da sensori di gravità, ma ciò non dovrebbe essere necessario per correggere l’offuscamento visivo, sintomo che disturba maggiormente le
persone che hanno perso la funzionalità dell’orecchio interno.
Oltre al lavoro svolto alla Johns Hopkins, anche
altri ricercatori stanno sviluppando impianti cocleari. Daniel Merfeld e Wangsong Gong, del Massachusetts Eye and Ear Infirmary (MEEI) di Boston,
hanno pubblicato i risultati del lavoro con la prima
protesi nel 2000. Si trattava di un dispositivo che
sostituiva uno dei tre canali semicircolari, e hanno dimostrato che gli animali possono adattarsi a
segnali provenienti dall’impianto. Richard Lewis,
sempre del MEEI, sta studiando se questo dispositivo è in grado di stabilizzare la postura.
Più di recente, un gruppo diretto da James O.
Phillips, dell’Università di Washington, ha creato
un dispositivo simile a un pacemaker, per cercare
di sopraffare la scarica nervosa anomala che si verifica durante un attacco di vertigine causata dalla sindrome di Ménière. Andrei M. Shkel dell’Università della California a Irvine e Julius Georgiou
dell’Università di Cipro stanno lavorando a circuiti integrati che sostengano il lavoro di Phillips. Un
altro gruppo, guidato da Conrad Wall del MEEI, sta
mettendo a punto dispositivi esterni che funzionino come supporto per una postura stabile.
Consapevole dell’invalidità di cui soffrono Gannon e altri pazienti nelle sue stesse condizioni, il
nostro gruppo alla Johns Hopkins spera di iniziare i test clinici non appena gli ostacoli di natura
tecnica e normativa saranno superati. Se le ricerche procederanno secondo le previsioni, le orecchie bioniche che ripristinano il sesto senso permetteranno finalmente a pazienti come Gannon di
recuperare l’equilibrio.
n
L’autore
Charles C. Della Santina
è professore associato di
otorinolaringoiatria e ingegneria
biomedica alla Johns Hopkins
School of Medicine, dove è anche
direttore del Vestibular
Neuroengineering Laboratory.
La sua attività chirurgica riguarda
pazienti con disturbi vestibolari
e il ripristino dell’udito con impianti
cocleari. Nella sua attività di
ricercatore, Della Santina studia lo
sviluppo di una protesi per la cura di
individui diventati disabili in seguito
alla perdita della sensibilità
vestibolare.
➥ Letture
Living without a Balancing
Mechanism. Crawford J., in «British
Journal of Ophthamology», Vol. 48,
n. 7, pp. 357-360, luglio 1964.
Gentamicin-Induced Bilateral
Vestibular Hypofunction.
Minor L.B., in «Journal of the American
Medical Association», Vol. 279, n. 7,
pp. 541-544, 18 febbraio 1998.
A Multichannel Semicircular
Canal Neural Prosthesis Using
Electrical Stimulation to Restore 3-D
Vestibular Sensation. Della Santina
C.C. e altri, in «IEEE Trans­actions on
Biomedical Engineering»,
Vol. 54, n. 6, pp. 1016-1030,
giugno 2007.
Johns Hopkins Vestibular Neuro­
engineering Laboratory:
www.hopkinsmedicine.org/
otolaryngology/research/
vestibular/VNEL.
LE SCIENZE 87
