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Nawal Kinany spent eight years on a blur. Her subject was not the moon but the human spinal cord, and the faint, noisy signal that functional magnetic resonance imaging, or fMRI, picks up from it. The picture she helped sharpen now guides treatments for paralysis, and it may soon do the same for stroke and Parkinson's.
Nawal Kinany ha passato otto anni su una sfocatura. Il suo oggetto di studio non era la Luna, ma il midollo spinale umano e il segnale debole e rumoroso che la risonanza magnetica funzionale, o fMRI, ne rileva. L'immagine che ha contribuito a mettere a fuoco guida ora i trattamenti per la paralisi, e potrebbe presto fare lo stesso per l'ictus e il Parkinson.
fMRI does not see neurons fire. It tracks the rush of oxygen-rich blood that follows their activity, a few seconds late, with one snapshot every two or three seconds. In the brain, that is enough to show where activity happens and how it shifts. In the spinal cord, a structure barely a centimeter across, every heartbeat and every breath adds noise that can drown the signal entirely. Dimitri Van De Ville, who heads EPFL's Medical Image Processing Laboratory, has built his career on the mathematics that pull activity out of that noise.
La fMRI non vede i neuroni che si attivano. Segue il flusso di sangue ricco di ossigeno che accompagna la loro attività, con qualche secondo di ritardo, con un'immagine ogni due o tre secondi. Nel cervello basta per mostrare dove avviene l'attività e come si sposta. Nel midollo spinale, una struttura larga appena un centimetro, ogni battito cardiaco e ogni respiro aggiungono rumore che può sommergere del tutto il segnale. Dimitri Van De Ville, che dirige il Laboratorio di elaborazione delle immagini mediche dell'EPFL, ha costruito la sua carriera sulla matematica che estrae l'attività da quel rumore.
The project began in 2016, when Kinany was splitting her doctoral work between two EPFL labs at Campus Biotech in Geneva. Her team recorded brain activity, muscles and movements in people paralyzed after a stroke, and something seemed to be missing between them. 'We realized that there was kind of the missing link between all of this, which was the spinal cord,' she says. Colleagues were not convinced. 'The spinal cord is a tube,' they told her.
Il progetto è iniziato nel 2016, quando Kinany divideva il suo lavoro di dottorato tra due laboratori dell'EPFL al Campus Biotech di Ginevra. Il suo team registrava attività cerebrale, muscoli e movimenti di persone paralizzate dopo un ictus, e tra questi elementi sembrava mancare qualcosa. «Ci siamo resi conto che c'era una sorta di anello mancante tra tutto questo, ed era il midollo spinale», racconta. I colleghi non erano convinti. «Il midollo spinale è un tubo», le dicevano.
The new result comes from a preprint, posted before peer review, in which doctoral student Ekansh Sareen worked with Friedhelm Hummel's team. They used transcranial magnetic stimulation, or TMS, a coil held against the scalp that sends a brief magnetic pulse into the motor cortex, while imaging the spinal cords of 22 volunteers. Weak pulses lit up only the cord's sensory side. Stronger ones spread through an intermediate zone to the motor neurons that make the hand twitch. Sareen compares the cord to an information railway, where some switches change how the traffic flows. According to the team, it is the first time anyone has watched, in humans, what a pulse to the brain does in the cord.
Il nuovo risultato proviene da una prepubblicazione, messa online prima della revisione tra pari, in cui il dottorando Ekansh Sareen ha lavorato con il team di Friedhelm Hummel. Hanno usato la stimolazione magnetica transcranica, o TMS, una bobina appoggiata sul cuoio capelluto che invia un breve impulso magnetico nella corteccia motoria, mentre riprendevano con immagini i midolli spinali di 22 volontari. Gli impulsi deboli illuminavano solo il lato sensoriale del midollo. Quelli più forti si diffondevano attraverso una zona intermedia fino ai motoneuroni che fanno muovere la mano. Sareen paragona il midollo a una ferrovia dell'informazione, in cui alcuni scambi modificano il flusso del traffico. Secondo il team, è la prima volta che qualcuno osserva sull'uomo che cosa fa un impulso inviato al cervello nel midollo spinale.
None of this is a therapy yet. Every spinal cord is wired a little differently, so the nerves serving a given muscle can join the cord a segment higher or lower from one person to the next. That matters for implants: in 2022, the Lausanne center .NeuroRestore reported that three people with complete paralysis could stand and walk again with a stimulator placed on the spinal cord. The team is now bringing the imaging method to CHUV, Lausanne's university hospital, ahead of a trial in stroke. No start date for that trial is given.
Per ora non si tratta ancora di una terapia. Ogni midollo spinale è cablato in modo leggermente diverso, quindi i nervi che servono un determinato muscolo possono congiungersi al midollo un segmento più in alto o più in basso da una persona all'altra. Questo conta per gli impianti: nel 2022, il centro di Losanna .NeuroRestore ha riferito che tre persone con paralisi completa erano tornate a stare in piedi e a camminare grazie a uno stimolatore posto sul midollo spinale. Il team sta ora portando il metodo di imaging al CHUV, l'ospedale universitario di Losanna, in vista di una sperimentazione sull'ictus. Per questa sperimentazione non è indicata alcuna data di avvio.
For stroke patients, the gain would be a way to tailor rehabilitation and implants to each person's own cord rather than to an average one. For people with paralysis, it would be a finer map of which spinal circuits can be stimulated. The timeline stays open: the study is a preprint on 22 people, and the stroke trial has no announced date.
Per i pazienti colpiti da ictus, il vantaggio sarebbe poter adattare la riabilitazione e gli impianti al midollo spinale di ciascuno, invece che a uno medio. Per le persone con paralisi, significherebbe una mappa più precisa dei circuiti spinali che possono essere stimolati. I tempi restano aperti: lo studio è una prepubblicazione su 22 persone, e la sperimentazione sull'ictus non ha una data annunciata.