Studio sull’invecchiamento fisiologico del sistema motorio

Capita frequentemente di osservare persone i cui movimenti ci sembrano impacciati, lenti o con qualche difficoltà. E il nostro giudizio è spesso influenzato dall’età della persona: più la sua età è elevata, più giudichiamo “normali” i disturbi del movimento. Questo giudizio non è però confortato da sufficienti dati quantitativi di certezza scientifica sul manifestarsi dell’invecchiamento del sistema motorio ed è quindi necessario raccogliere dati per arricchire le conoscenze sul comportamento motorio della popolazione.

La nostra ricerca si focalizza su queste problematiche e a tale scopo abbiamo sviluppato l’applicazione “MotorBrain”, che misura i movimenti di controllo della mano considerando caratteristiche quali precisione, velocità di esecuzione e tempo di reazione visivo – motorio. “MotorBrain” contiene 6 test motori che raccolgono tali informazioni. Ogni test richiede agli utenti la ripetizione di almeno tre prove, in modo da avere una migliore statistica dei dati. Inoltre, ogni test può essere eseguito con entrambe le mani. Si raccomanda di eseguire ogni test prima con la mano dominante (quella con cui si scrive o si tiene la forchetta per mangiare), poi con l’altra.

I dati raccolti dall’applicazione (questionari e movimenti degli utenti nei test) verranno inviati dall’applicazione, esclusivamente in forma anonima e in nessun modo riconducibile all’utente, ad un server universitario con una connessione sicura e salvati in un database protetto. Il database verrà usato per calcolare le distribuzioni statistiche delle misure di precisione, velocità e tempo di reazione visivo – motoria della popolazione, suddivisa per fasce di età.

Le implicazioni della ricerca sono molteplici. Dal punto di vista diagnostico, l’analisi del database potrebbe portare ad utilizzare la stessa tecnologia e metodologia dei test di prestazione motoria su pazienti con disturbo del movimento, per arrivare ad una diagnosi differenziale tra diverse patologie di “disordini del movimento” e produrre un marker precoce di “invecchiamento patologico del sistema motorio”. Dal punto di vista riabilitativo, potrebbe portare al perfezionamento di uno strumento personalizzabile ed in grado di eseguire un training riabilitativo sfruttando i processi di riadattamento funzionale del sistema nervoso centrale (plasticità), in particolare nella gestione del movimento e della memoria procedurale.

Link al sito di MotorBrain http://hcilab.uniud.it/motorbrain/

Nell’immagine a sinistra sono evidenziati i solchi e le circonvoluzioni della superficie corticale ricavate dalla RM; vi è sovrapposta l’area di attivazione sensoriale da stimolazione delle fibre del nervo mediano al polso, bilateralmente.

Sull’emisfero di sinistra la struttura anatomica risulta deformata a causa di una lesione espansiva sottostante che, tuttavia, non impedisce una regolare attivazione afferente del sistema somato-sensoriale.

CENNI STORICI

L’idea che il cervello controlli il corpo come chi fa
muovere le marionette agendo sui fili di controllo, è suggestiva ma anche molto semplicistica. Dalla scoperta dei riflessi muscolari (riflessi osteo tendinei) nel ‘900, si è posta notevole enfasi sulla natura riflessa dei movimenti. Ivan Sechenov (1829 – 1905) e il suo studente Ivan Pavlov (1849 – 1936) hanno proposto la teoria che i movimenti, come pure le azioni mentali, siano composti da una sequenza di riflessi. William James (1842 – 1910) propose l’ipotesi della catena di riflessi, opportunamente selezionati e combinati, come motore causale dei movimenti stessi.

Gli studi sperimentali di Charles Sherrington (1857 – 1952) portarono alla teoria della locomozione come sequenza di riflessi di flessione e di estensione crociata agli arti inferiori. In seguito la teoria riflessa di Sherrinthon fu rifiutata a favore della nozione di un generatore centrale di pattern di movimenti ritmici(CPG), compresa la deambulazione.

Nel lavoro del 1935 di Nikolai Bernstein (1896 – 1966) si enfatizzò il ruolo attivo, piuttosto che solamente reattivo, dei movimenti biologici, introducendo il concetto di engramma, quale rappresentazione astratta dei movimenti a livello del sistema nervoso centrale.

Per analizzare la complessità del sistema motorio, prendiamo in considerazione due condizioni determinanti: la postura e il grasping.

La postura è caratterizzabile dalla sua configurazione e dalla sua stabilità. L’idea di un sistema di controllo basato su configurazioni di riferimento (del corpo) e di sinergie muscolari di adattamento, è l’unica al momento in grado di spiegare la complessità del movimento del corpo umano nella sua statica e nella sua dinamica.

Nel grasping le attività della mano comprendono tre sequenze :

• la selezione di uno specifico pattern di afferramento dipendente dall’obiettivo di performance e dalla forma dell’oggetto
• il movimento di raggiungimento per afferrare (reach-to-grasp)
• la manipolazione dell’oggetto esercitando forza sullo stesso, cambiando a sua posizione, orientamento e localizzazione nello spazio.

La classificazione dei movimenti di grasping comprende il power grip (l’oggetto è in contatto con il palmo della mano) e il precision grip (solo le dita sono in contatto con l’oggetto).

In letteratura sono piuttosto limitate le informazioni disponibili sulle modificazioni fisiologiche del sistema motorio indotte dal normale processo di invecchiamento. In particolare non sappiamo fino a che punto sia fisiologico, o correlato esclusivamente all’aumento dell’età, il rallentamento dei movimenti, l’incremento del tempo di reazione e la precisione dei movimenti stessi.

Recenti acquisizioni permettono di affermare la notevole importanza della capacità motoria dell’uomo anche nel processo di sviluppo / conservazione della memoria. Il cervello è un sistema di complesse interazioni con l’ambiente esterno ma anche con l’ambiente interno (il veicolo su cui è installato): si è abituato a gestire sistemi in movimento e continua a farlo fino alla fine della vita, pertanto, in attesa che i fautori del transumanesimo riescano ad installare il cervello (o meglio la nostra mente) su di un sistema semovente, noi ci limitiamo a cercare di conoscere a fondo come il cervello si adatta, nel corso degli anni, alla perdita di prestazioni del veicolo su cui è installato.

PROGETTO MOTORBRAIN

Lo sviluppo del progetto MotorBrain si è articolato proprio con l’obiettivo primario di raccogliere informazioni dalla popolazione nel più ampio spettro di età possibile, sul comportamento del sistema motorio, in particolare sulla capacità di “precision grip”.

L’app MotorBrain è stata sviluppata in collaborazione tra docenti del Laboratorio di Interazione Uomo-Macchina dell’Università di Udine e medici del Dipartimento di Neuroscienze dell’Azienda Ospedaliero-Universitaria “S.M. della Misericordia” di Udine.

ATTENZIONE: L’applicazione ed i suoi contenuti non sono in alcun modo da intendersi come sostituti di un consulto medico, diagnosi o trattamento.

In letteratura si dimostra che le capacità motorie si modificano nel corso della vita, migliorando dal bambino all’adulto e poi peggiorando progressivamente con l’avanzare dell’età [1, 2]. Non disponiamo tuttavia di misure affidabili delle performance motorie della popolazione e d’altra parte è difficile progettare uno studio di raccolta di dati “normali” in un campione esteso che possa essere rappresentativo della popolazione per estensione di età, per sesso e per prevalenza manuale.

Lo sviluppo di sistemi computerizzati di raccolta dati consente di eseguire test di misura su device collocati a domicilio o semplicemente mobili (smart phones o tablets). L’App MotorBrain consente di ottenere una rapida valutazione delle proprie performance motorie, di controllarne l’andamento nel tempo ripetendo i test nelle stesse condizioni e di fornire i dati raccolti ad un data base generale che viene costantemente aggiornato e utilizzato a scopo clinico / diagnostico nei disturbi del movimento da parte di neurologi, fisiatri e gruppi di ricerca che lavorano sulle caratteristiche del sistema motorio dell’uomo.

Solo di recente sono stati in parte individuati i fattori che concorrono al processo di invecchiamento fisiologico del sistema motorio [3], e il database che si sta raccogliendo permette di confrontare le performance di un paziente con sospetto disturbo del movimento e di seguirne l’andamento nel tempo in seguito ad evoluzione naturale o in seguito a provvedimenti terapeutici di tipo farmacologico o fisioterapico.

Moduli costitutivi di MotorBrain

L’applicazione sviluppata in Unity [4], è distribuita per i 3 maggiori sistemi operativi mobile (Android, iOS e Windows Phone). Sono presenti tre moduli principali che configurano due test motori ciascuno, dedicati rispettivamente alla accuratezza del movimento, alla velocità del movimento ed al tempo di reazione visivo – motorio.

Il modulo accuratezza è composto da 2 test (cerchio precisione e
quadrato precisione) in cui, utilizzando la punta del dito indice, si deve seguire la traccia colorata:

• il primo (cerchio precisione) consiste nel seguire la banda colorata di un cerchio, con la
  massima precisione possibile
• il secondo (quadrato precisione) consiste nel seguire la banda colorata di un quadrato, con la massima precisione possibile

Il modulo velocità è composto da 2 test (cerchio velocità e linea zig-zag) in cui, utilizzando la punta del dito indice, si deve seguire la linea colorata nel minore tempo possibile:

• il primo (cerchio velocità) consiste nell’eseguire quanti più giri possibili in un tempo predefinito, rimanendo sempre s
  ovrapposti il più possibile alla banda colorata predefinita, utilizzando esclusivamente la punta del dito indice
• il secondo (linea zig – zag) consiste nel seguire il decorso della linea a zig – zag, dotata di una larghezza di banda colorata predefinita, nel minore tempo possibile, utilizzando esclusivamente la punta del dito indice

Il modulo tempo di reazione è composto da 2 test (tapping test a due posizioni e tapping test a quattro posizioni):

• il primo è un “tapping test” a due pulsanti: il compito consiste nel rispondere nel minore tempo possibile, premendo il pu
  lsante che si attiva / colora, utilizzando sempre la punta del dito indice
• il secondo è un “tapping test” a quattro pulsanti: il compito consiste nel rispondere nel minore tempo possibile, premendo il pulsante che si attiva / colora nelle 4 posizioni, secondo una sequenza randomizzata, utilizzando sempre la punta del dito indice

Tutti i test devono essere ripetuti in 3 prove consecutive, per consentire una validazione statistica delle misure di performance

• nel modulo accuratezza viene evidenziata l’accuratezza media delle 3 prove, espressa in unità percentuali
• nel modulo velocità viene evidenziata la velocità media delle 3 prove, espressa in cm al secondo
• nel modulo tempo di reazione viene evidenziato il tempo di reazione media delle 3 prove, espresso in millisecondi

Analisi dei risultati raccolti nel dataBase

L’obiettivo finale dell’analisi è quello di definire e costruire un modello statistico della biomeccanica del movimento di precisione (precision grip) delle dita della mano destra e sinistra. nella popolazione normale, tenendo conto dell’invecchiamento fisiologico.

Analisi preliminare dei dati raccolti

In questa fase è determinante l’esplorazione dei dati raccolti al fine di escludere le registrazioni incomplete, le registrazioni non attendibili e per eseguire uno stretto controllo dei comportamenti dei soggetti defibili come “outliers”. Tale revisione dei dati si avvale di controlli statistici di distribuzione dei dati e di controllo ispettivo dei tracciati grafici di ogni test eseguito.

Estrazione delle caratteristiche descrittive del modello

Il modello si avvale delle 3 principali caratteristiche individuate nei 3 cluster di test motori (accuratezza, velocità e tempo di reazione). Per ognuno dei 3 cluster si ottengono i seguenti descrittori di performance:

1. test di accuratezza [cerchio precisione e quadrato precisione] con i seguenti parametri, media delle tre prove:
   • accuratezza (1,2,3)
   • tempo di esecuzione (1,2,3)
   • indice di scostamento (rapporto tra percorso atteso e percorso eseguito)
   • variazione temporale della velocità di esecuzione (1,2,3)
2. test di velocità [cerchio velocità, cerchio precisione, quadrato precisione e la linea zig-zag] con i seguenti parametri, media delle tre prove :
   • accuratezza
   • tempo di esecuzione
   • indice di scostamento
   • velocità media di esecuzione
   • numero di giri nel tempo massimo prestabilito
3. test del tempo di reazione [tapping test a 2 e tapping test a 4 pulsanti] con i seguenti parametri, media delle tre prove:
   • accuratezza
   • tempo di reazione media
   • numero di taps eseguiti

Classificazione del modello

Si utilizzano metodologie di classificazione di “machine learning” per costruire i pattern caratteristici di ciascuna classe di età dei soggetti raccolti nel database.

MotorBrain (2.0)

Nella seconda versione del progetto MotorBrain sono state introdotte particolari condizioni di attività nella gestione dei test motori che, genericamente, definiamo come perturbazioni. Tenendo conto che tali fenomeni sono inevitabilmente mediati dalla percezione visiva, si sono impostati eventi casuali di modificazione di alcune caratteristiche fisiche del test motorio, già precedentemente eseguito.

Definizione delle perturbazioni

Una perturbazione visiva nel corso della esecuzione del cerchio precisione, consiste ad esempio nella scomparsa della “traccia guida” durante l’esecuzione del compito per testare se e come il soggetto è in grado di completare il compito senza la guida sottostante.

Una perturbazione spaziale nel corso della esecuzione del tapping test, cosiste nello spostamento del bersaglio dopo un certo numero di eventi a posizione fissa.

riferimenti bibliografici

1. J.S.R.Leversen,M.Haga, H.Sigmundsson, From children to adults: Motor performance across the life-span, PLoS One. 7 (2012) e38830. doi:10.1371/journal.pone.0038830
2. R.D.Seidler,J.A.Bernard,T.B.Burutolu,B.W.Fling,M.T.Gordon,J.T.Gwin, et al., Motor control and aging: Links to age-related brain structural, functional, and biochemical effects, Neurosci. Biobehav. Rev. 34 (2010) 721–733. doi:10.1016/j.neubiorev.2009.10.005
3. A.Cicerale, E.Ambron, A.Lingnau, R.I.Rumiati, A kinematic analysis of age-related changes in grasping to use and grasping to move common objects, Acta Psychol. (Amst). 151 (2014) 134–142. doi:10.1016/j.actpsy.2014.06.004