Dipartimento Unibo coinvolto:
- Dipartimento di Scienze Biomediche e Neuromotorie - DIBINEM
Partner:
- Monash University, Clayton, Melbourne Australia
Obiettivo: La coordinazione di movimenti complessi eseguiti con gli arti superiori e con le mani per interagire con l’ambiente circostante è, nell’uomo, sotto il controllo della corteccia cerebrale. Spesso, malattie neurodegenerative, infarti, traumi e altre condizioni patologiche ne compromettono la funzionalità. Numerose ricerche eseguite negli ultimi decenni su primati non umani e anche direttamente sull’uomo con metodi non invasivi hanno notevolmente incrementato il nostro bagaglio di conoscenze in merito. Il circuito parieto-frontale mediale, al centro dell’interesse scientifico di questo progetto, risulta essere di rilevante interesse per lo studio del controllo/pianificazione degli atti motori sia nei primati non umani del Nuovo e del Vecchio Mondo (Hook e Rogers, 2008; Caminiti et al., 2015; Fattori et al., 2017; Takahashi et al., 2017) che nell’uomo (Filimon, 2010; Verhagen et al., 2013). Questo circuito coinvolge sul fronte parietale le aree di Brodmann 18 (puramente visiva), 19 (associativa visiva) e 5-7 (associative somatiche); sul versante frontale comprende le aree di Brodmann 4 e 6, direttamente responsabili del controllo motorio. La funzione delle aree corticali che sono coinvolte nella codifica di queste azioni complesse non è però tuttora completamente nota ed in particolare non è noto come le diverse regioni parietali interagiscano con le corrispondenti regioni frontali per orchestrare gli atti di prensione. La conoscenza degli specifici circuiti nervosi che connettono le diverse parti del cervello implicate in questo controllo risulta essenziale dal punto di vista funzionale e sono anche di estremo interesse per la comprensione dello stesso meccanismo funzionale nell’uomo. Obiettivo dello studio in cui si colloca questo progetto di collaborazione è quello di fornire nuove conoscenze sulla organizzazione e sul ruolo funzionale delle regioni corticali coinvolte nel circuito parieto-frontale di controllo degli atti motori, mettendo a frutto l'esperienza accumulata negli anni dai due gruppi di ricerca coinvolti, utilizzando tecniche e modelli sperimentali complementari. Inoltre, questo grant fornirà la base di partenza per la progettazione congiunta con la MONASH University di mobilità internazionale di studenti UNIBO della Scuola di Medicina e Chirurgia e della corrispondente Faculty of Medicine, Nursing and Health Sciences della MONASH University.
Budget: 18.000 €
Perché collaborare con l'università coinvolta nel progetto può essere significativo per Unibo?
Valore aggiunto in ambito scientifico: molti esperimenti sono stati compiuti per esplorare quali fossero le regioni del cervello implicate nella codifica di compiti di coordinazione visuo-motoria e quali fossero le strategie utilizzate per interpretare le informazioni sensoriali ed elaborare i piani motori per l'esecuzione di tali movimenti. Nonostante si sia fatto tanto, molto ancora resta da scoprire circa le basi anatomiche del processo di coordinazione visuo-motoria e le proprietà funzionali di questi centri nervosi. Il presente progetto di ricerca e collaborazione internazionale si inserisce in questo ambito, con la speranza di portare nuova linfa a questo processo di conoscenza. Il progetto viene promosso da componenti del Dipartimento di Scienze Biomediche e Neuromotoriedell’Università di Bologna, che è un dipartimento di "Eccellenza" dell’Ama Mater. In esso convivono e collaborano diverse competenze di ricerca di base e clinica, che a loro volta collaborano con ingegneri per gli aspetti più applicativi ed innovativi. Tale progetto parte dalla ricerca di base epropone, come scopo ultimo, quello di poter fornire delle soluzioni innovative utili per la salute dell'uomo. Attualmente, i pazienti tetraplegici possono controllare il movimento di arti artificiali attraverso i segnali neurali provenienti dal loro cervello (Hochberg et al., 2006; Hatsopoulos and Donoghue, 2009; Aflalo et al., 2015; Schwartz, 2016) utilizzando delle interfacce cervello-macchina (“Brain Machine Interface” o BMI). Al momento, le BMI consentono di far compiere agli arti artificiali movimenti complessi di raggiungimento e afferramento di oggetti semplici, ma molti aspetti vanno ancora implementati. Infatti, i movimenti sono di una lentezza esasperante, a volte a scatti, e a volte vanno ripetuti perché non raggiungono il bersaglio. Per affinare il loro controllo in modo che le protesi possano eseguire movimenti analoghi a quelli umani è necessario fare sì che la BMI riceva ed elabori correttamente le informazioni che il cervello normalmente usa per guidare un movimento. Per far ciò, è necessario che le informazioni sensoriali (visive e propriocettive) siano perfettamente integrate e trasformate in comandi motori fluidi e coerenti. Per ora non è ancora così. Lo studio del circuito parieto-frontale, che è il principale oggetto del presente progetto, va proprio nella direzione di capire quali parti della corteccia cerebrale dell'uomo siano implicate nel processo di integrazione visuomotoria, e possano rendere i movimenti del braccio e della mano fluidi e coerenti come lo sono nei movimenti ‘naturali’. Il nostro laboratorio ha recentemente pubblicato dati innovativi circa il ruolo della corteccia parietale a questo proposito (Galletti & Fattori 2018; Gamberini et al. 2020). Il presente progetto dovrebbe portare novità importanti nella conoscenza di questo processo.
Valore aggiunto in termini didattici: I fruitori del progetto (dagli studenti al personale strutturato del dipartimento) a vario titolo e competenza avranno la possibilità di sviluppare interazioni con diverse realtà in campo scientifico che potranno arricchire sia il Dipartimento che l'Università di Bologna nel suo ruolo internazionale in questo settore scientifico emergente all’interfaccia tra neuroscienze, medicina e ingegneria biomedica. I risultati ottenuti dal presente progetto potranno essere utilizzati per lo studio degli aspetti riabilitativi in pazienti con lesioni nervose (midollari e/o cerebrali) con deficits visuo-motori. Il presente progetto sarà la base di varie interazioni future, anche più strutturate come per esempio per la mobilità di dottorandi e di studenti nell'ambito di progetti Overseas, Socrates o altro. Si cercherà anche di stabilire percorsi per dottorandi, al fine di potere aumentare la componente di internazionalizzazione del Dottorato in Scienze Biomediche e Neuromotorie del nostro Dipartimento.
Principali risultati attesi
Dal presente progetto ci si attendono i seguenti risultati:
- Acquisizione di nuove conoscenze:
- comprendere il ruolo funzionale e l'organizzazione del circuito parieto-frontale basandosi sull'analisi dei dati raccolti da singole cellule e dell'input/output delle varie aree che lo costituiscono utilizzando i dati raccolti sui modelli animali;
- confrontare i dati ottenuti sui due modelli animali (marmoset e macaco) al fine di traslare le conoscenze acquisite sulle regioni omologhe del cervello dell'uomo. Questo risultato rappresenta un elemento molto innovativo in quanto le conoscenze sul cervello umano sono di molto inferiori a quelle sul cervello dei primati non umani, ed è fondamentale aumentare le conoscenze sul cervello dell'uomo per migliorare le nostre performances in ambito diagnostico e riabilitativo. - Acquisizione di nuove competenze:
- permettere di acquisire nuove competenze in campo neurofisiologico e di acquisire una maggiore padronanza del lavoro di ricerca in questo campo, dall'acquisizione dei dati sperimentali alla loro analisi;
- inserirsi in una nuova realtà lavorativa, anche internazionale, che permetta alle nuove generazioni di scoprire il mondo, di non perdere occasioni importanti di crescita e di conoscenza. - Acquisizione di nuove fonti di collaborazione:
- questo progetto si basa sulla collaborazione, già ben consolidata, fra due laboratori di Paesi diversi. Il progetto promuoverà diverse occasioni di incontro (workshop, eventi, ...) che saranno fonte di nuove collaborazioni scientifiche fra i due atenei. - Inizio di nuova mobilità da parte degli studenti della Scuola di Medicina e Chirurgia di UNIBO: la Prof.ssa Gamberini, coordinatrice della proposta ha avuto modo in passato di facilitare la mobilità studentesca per le LMCU in Farmacia e in Scienze MMFFNN presso la Monash (è stata relatrice di alcune tesi sperimentali svoltesi lì, come descritto nelle sessioni precedenti).