Il pesce chiamato lampreda di mare (parassita che attacca molti pesci marini e d’acqua dolce, compresi salmoni, trote, aringhe, sgombri e alcuni squali. Si attacca alla preda con i denti e ne succhia il sangue utilizzando la ruvida lingua), per quasi 50 anni ha interessato gli scienziati per la sua notevole capacità di recuperare le lesioni al midollo spinale.
Christina Hamlet della Bucknell University e i suoi collaboratori, tra cui Jennifer R. Morgan del Marine Biological Laboratory (MBL), hanno utilizzato un modello matematico per dimostrare come le lamprede possano utilizzare il sistema di retroazione del corpo per recuperare le capacità di nuoto dopo una lesione spinale.
Lo studio pubblicato nella rivista PNAS Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, potrebbe ispirare nuovi metodi terapeutici per gli esseri umani o algoritmi per la locomozione nei cosiddetti Soft robotics (è il sottoinsieme della robotica che si concentra su tecnologie che assomigliano più da vicino alle caratteristiche fisiche degli organismi viventi).
Jennifer R. Morgan scienziata del Marine Biological Laboratory (MBL), e direttrice del Centro Eugene Bell per la biologia rigenerativa e l’ingegneria dei tessuti del Marine Biological Laboratory (MBL), ha affermato:
«Il fulcro della nostra ricerca è che anche in assenza di un comando discendente attraverso la lesione spinale, è possibile potenziare il feedback sensoriale e ripristinare la locomozione».
Jennifer R. Morgan in precedenza ha scoperto che, sebbene la rigenerazione neurale favorisca il recupero nelle lamprede, non fornisce un quadro completo della situazione: solo una piccola percentuale dei neuroni e delle connessioni neuronali viene ripristinata dopo una lesione spinale, quindi la lampreda per il recupero ricorrere a un altro meccanismo, oggetto di studio.
Jennifer R. Morgan si è posta la domanda: «Come si può ottenere un sistema nervoso funzionante con poche e connessioni?».
Gli scienziati avevano ipotizzato che le lamprede potessero utilizzare il feedback del corpo (chiamato propriocezione o cinestesia) per guidare i loro movimenti, oltre alle connessioni neurali discendenti nel midollo spinale.
Jennifer R. Morgan sul tema ha coinvolto Eric Tytell suo vecchio amico del Marine Biological Laboratory (MBL), professore associato di biologia alla Tufts University ed ex ricercatore del Whitman Center del Marine Biological Laboratory (MBL).
Eric Tytell ricercatore in neuroscienze e biomeccanica, con esperienza nella fisica e nel controllo neurale del movimento degli animali, utilizzando modelli matematici per imitare il movimento delle lamprede, stava già collaborando con Lisa Fauci, professoressa di matematica all’Università di Tulane e Christina Hamlet, professoressa assistente di matematica alla Bucknell University.
Christina Hamlet ha detto:
«Riguardo al comportamento di nuoto delle lamprede, volevamo vedere se potevamo modellare alcuni degli effetti del feedback sensoriale».
Il team di ricercatori ha iniziato a sperimentare diversi scenari di lamprede con lesioni spinali, compresi quelli biologicamente plausibili e quelli poco plausibili, presupponendo per tutti, attraverso la lesione del midollo spinale, l’assenza di rigenerazione neurale.
Christina Hamlet ha affermato: «È proprio questa l’utilità della modellazione. Possiamo superare aspetti che non si possono realizzare in biologia».
Il modello ha tenuto conto delle curve e degli allungamenti creati nel corpo al di sopra della lesione, e ha inviato queste informazioni al resto del corpo attraverso i muscoli, non il midollo spinale.
I modelli anche con una quantità moderata di feedback sensoriale, hanno mostrato un sorprendente recupero dei modelli di nuoto nei modelli biologicamente plausibili. Il feedback sensoriale più accentuato ha portato a maggiori miglioramenti.
Le lamprede rispetto al modello, poiché fanno ricrescere alcuni dei loro neuroni dopo una lesione e quindi hanno un comando discendente dal cervello per guidare il movimento, potrebbero aver bisogno di un minor feedback sensoriale.
Il team di ricercatori spera di aggiungere al modello la rigenerazione neuronale, e di verificare come questa influisca sul movimento e interagisca con il feedback sensoriale.
Jennifer R. Morgan ha detto:
«Se si dispone di un buon modello computazionale, si possono esaminare molti più scenari di manipolazione rispetto a quelli praticabili con la sperimentazione».
Il team di ricercatori spera che questo studio e le ricerche future possano contribuire alle terapie per gli esseri umani con lesioni spinali e malattie che influenzano il controllo del movimento.
Le interfacce cervello-macchina e i dispositivi di stimolazione, stanno iniziando a incorporare il feedback del corpo per creare movimenti più fluidi dopo le lesioni, questa ricerca potrebbe informare la quantità e il tipo di feedback di cui gli esseri umani hanno bisogno.