Muscoli “potenziati” e controllati dal computer: il futuro dei sistemi bioibridi

“Nulla ha senso in biologia eccetto che alla luce dell’evoluzione.”

— Theodosius Grygorovych Dobzhansky

Negli ultimi decenni, la ricerca biomedica ha cercato di colmare il divario tra organismi viventi e dispositivi tecnologici. Questo campo, noto come bioibridazione, mira a integrare componenti biologiche e artificiali per creare sistemi in grado di interagire con il corpo umano in modo più naturale ed efficiente. Tuttavia, uno degli ostacoli principali è sempre stato la difficoltà di sviluppare attuatori — cioè sistemi in grado di generare movimento — che siano allo stesso tempo biocompatibili, efficienti e controllabili.

L’articolo scientifico analizzato propone una soluzione innovativa: un attuatore mio-neurale (MNA, myoneural actuator) che sfrutta il muscolo biologico, ma ne modifica profondamente il funzionamento attraverso tecniche di ingegneria neurale. Questo approccio consente di superare uno dei limiti più importanti del muscolo naturale, ovvero la fatica, aprendo nuove prospettive per protesi avanzate, organi bioibridi e interfacce neurali.

Song, H., Herrera-Arcos, G., Friedman, G.N. et al. A myoneural actuator with engineered biophysics for implantable biohybrid systems. Nat Commun 17, 2584 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70626-6

Il problema degli attuatori nei sistemi bioibridi

Gli attuatori tradizionali — come quelli elettromagnetici, pneumatici o idraulici — sono potenti ma poco adatti all’uso nel corpo umano. Sono ingombranti, difficili da miniaturizzare e spesso incompatibili con i tessuti biologici. Inoltre, richiedono batterie e materiali che possono risultare invasivi o instabili nel lungo periodo.

Al contrario, il muscolo biologico rappresenta un attuatore naturale ideale: è altamente efficiente, si autoripara, si adatta e si integra perfettamente con il corpo. Tuttavia, presenta un limite fondamentale: si affatica rapidamente quando viene stimolato artificialmente, ad esempio tramite stimolazione elettrica funzionale (FES).

Questo problema ha frenato lo sviluppo di sistemi bioibridi avanzati. Senza un attuatore affidabile e duraturo, diventa difficile costruire dispositivi impiantabili in grado di sostituire o supportare funzioni biologiche complesse.

a La capacità di controllare l’attuazione degli organi facilita la modulazione dei processi biologici umani. Ad esempio, l’attuazione dello stato e della forza muscolo-tendinea tramite un MNA accoppiato in serie consente la modulazione afferente neurale responsabile della propriocezione degli arti, rendendo possibile il feedback afferente per arti bionici o virtuali (circuito 1–4). Inoltre, gli MNA potrebbero emulare la meccanica degli organi, come la contrazione intestinale, guidata da segnali neurali o virtuali, assistendo così la funzione organica compromessa e offrendo un feedback fisiologico, come la modulazione dell’appetito (ciclo i–iv). b Componenti dell’MNA resistente alla fatica. Per trasformare un muscolo nativo in un MNA, denerviamo il suo nervo motore e lo reinerviamo con un nervo sensoriale, reindirizzando così il controllo motorio dal sistema nervoso centrale (SNC) a una struttura controllata da computer. La stimolazione elettrica dei nervi modula l’MNA, con un blocco nervoso reversibile applicato prossimalmente per isolare neuralmente l’MNA dal SNC durante il funzionamento. La manipolazione mioneurale proposta funge da interfaccia potenziata per il reclutamento motorio, rendendolo un attuatore resistente alla fatica con prestazioni di controllo a circuito chiuso migliorate.

L’innovazione: il myoneural actuator (MNA)

La soluzione proposta dai ricercatori consiste in una modifica radicale del modo in cui il muscolo è controllato. Normalmente, i muscoli sono attivati dal sistema nervoso centrale attraverso nervi motori. Nel caso del MNA, questo controllo viene rimosso e sostituito da un sistema ibrido.

Il processo avviene in due fasi principali. In primo luogo, il nervo motorio viene disconnesso (denervazione), eliminando il controllo volontario. Successivamente, il muscolo viene reinnervato con un nervo sensoriale. Questa operazione, apparentemente controintuitiva, permette di ristabilire le connessioni neuromuscolari ma con caratteristiche diverse.

Il risultato è un muscolo che non risponde più direttamente al cervello, ma può essere controllato da un computer tramite stimolazione elettrica. Allo stesso tempo, mantiene le sue proprietà biologiche fondamentali: metabolismo, autoriparazione e integrazione con il corpo.

Perché il MNA è più resistente alla fatica

Uno degli aspetti più innovativi del MNA riguarda la sua resistenza alla fatica. I muscoli naturali si affaticano rapidamente quando vengono stimolati artificialmente perché i nervi motori attivano prima le fibre più grandi e più potenti, che però si esauriscono velocemente.

Nel MNA, invece, l’uso di un nervo sensoriale cambia la distribuzione delle fibre nervose. I nervi sensoriali hanno una struttura più uniforme, con assoni di dimensioni simili. Questo porta a un reclutamento più equilibrato delle fibre muscolari durante la stimolazione.

Gli esperimenti mostrano che questa modifica produce un miglioramento significativo: la resistenza alla fatica aumenta fino al 260% rispetto ai muscoli normali. Inoltre, il comportamento del muscolo non segue più solo una dinamica di decadimento esponenziale, ma introduce componenti più stabili che permettono una contrazione prolungata.

In termini semplici, il muscolo “modificato” lavora in modo più intelligente e distribuito, evitando di esaurire rapidamente le sue risorse.

a Risposte sequenziali rappresentative della forza di contrazione per un muscolo nativo e MNA (n = 450 cicli per muscolo). R1, Rat1.
b Riepilogo delle risposte sequenziali della forza di contrazione per entrambe le coorti (n = 450 cicli per muscolo). R1–R3, rat1-rat3.
c Perdita di forza di contrazione allo stato stazionario di muscoli nativi e MNA tra i cicli (barre, media ± SEM; n = 3 per coorte; *test t* appaiato a due code, **P = 0,0061). d Istogramma della risposta della forza di contrazione, densità di probabilità cumulativa (cpd) e variabilità per entrambe le coorti (barre, media ± SEM; n = 3 per coorte; test t appaiato a due code, *P = 0,030). e Risposte di forza sotto stimolazione continua per entrambe le coorti (linee e barre, media ± SEM; Nativi: n = 7, MNA: n = 4; test t a due code non appaiato, ***P = 0,00067). F forza. f Dinamiche muscolari fondamentalmente diverse e resistenti alla fatica della coorte MNA rispetto a quelle della coorte nativa (barre, media ± SEM; Native; n = 7, MNA: n = 4; test U di Mann–Whitney a due code, 25–30 s: *P = 0,042; 5–10 s, 10–15 s, 30–35 s, 55–60 s: *P = 0,024; **P = 0,0061).

Controllo avanzato e isolamento dal sistema nervoso

Un altro elemento chiave del MNA è la possibilità di controllarlo in modo preciso tramite sistemi a ciclo chiuso (closed-loop control). In questo tipo di controllo, il sistema monitora continuamente la forza prodotta dal muscolo e regola la stimolazione per mantenere il livello desiderato.

Nei muscoli normali, la fatica rende questo controllo instabile nel tempo. Nel MNA, invece, la maggiore resistenza consente di mantenere prestazioni costanti anche dopo molti cicli di attivazione.

Inoltre, i ricercatori hanno sviluppato un sistema di isolamento neurale reversibile. Durante l’attivazione del muscolo, un blocco elettrico impedisce ai segnali di risalire verso il sistema nervoso centrale. Questo evita effetti indesiderati come dolore o interferenze con le funzioni naturali del corpo.

In pratica, il muscolo può essere “guidato” dall’esterno senza disturbare il resto del sistema nervoso, un aspetto cruciale per applicazioni cliniche sicure.

Applicazioni: protesi, organi e interfacce uomo-macchina

Le potenzialità del MNA sono molto ampie e riguardano diversi ambiti della medicina e della tecnologia.

Una delle applicazioni più promettenti è nelle protesi neurali avanzate. Il sistema sviluppato, chiamato Proprioceptive Mechanoneural Interface (PMI), consente non solo di controllare una protesi, ma anche di restituire al paziente sensazioni di movimento e forza. Questo rappresenta un passo fondamentale verso protesi “naturali”, in grado di integrarsi realmente con il corpo.

Un’altra applicazione riguarda gli organi bioibridi. I ricercatori hanno dimostrato che il MNA può essere utilizzato per controllare meccanicamente organi come l’intestino, simulando movimenti come la peristalsi. Questo potrebbe portare a nuove terapie per disturbi gastrointestinali o altre condizioni legate alla motilità degli organi.

Infine, il controllo della meccanica corporea apre scenari ancora più ampi, come la modulazione dell’asse intestino-cervello, con possibili effetti su metabolismo, emozioni e comportamento.

a Schema concettuale di un’interfaccia neuroprotesica bioibrida, la Proprioceptive Mechanoneural Interface (PMI). La PMI è costituita da un muscolo residuo dotato di sensori di stato e di forza (organo terminale) accoppiato in serie con un MNA, consentendo sia il controllo meccano-neurale a circuito chiuso dell’organo terminale per fornire un feedback propriocettivo da un arto bionico, sia un segnale efferente per il controllo neurale dell’arto bionico. b Schema del progetto del meccanismo funzionale della PMI. c Progetto chirurgico della PMI in un modello roditore, utilizzando il gastrocnemio mediale (MG) per simulare un muscolo residuo in uno scenario di amputazione, con l’MNA costruita a partire dal LG. d Schema dell’allestimento sperimentale per la valutazione della PMI. La deformazione dell’organo terminale e le afferenze modulate sono state valutate rispettivamente tramite sonomicrometria ed elettroneurografia (ENG). **e, f** Il PMI ha dimostrato la capacità di modulare lo stiramento dell’organo terminale e le afferenze neurali a diversi livelli attraverso l’attuazione dell’MNA (e). All’aumentare dell’output dell’MNA, sia lo stiramento muscolare che le afferenze modulate sono aumentati (n = 10 cicli per ciascun livello; barre, media ± SEM) (f). Sono riportati i coefficienti tau di Kendall tra l’output dell’MNA, lo stiramento del muscolo residuo e le afferenze modulate (afferenti: ***P = 1,9 × 10−15, sollecitazioni: ***P = 1,8 × 10−13). g Schema concettuale di un sistema organico bioibrido progettato per l’intestino tenue. I segnali neurali provenienti dal sistema nervoso, insieme ai segnali esterni, possono fungere da input di controllo per il sistema organico bioibrido. h Schema del meccanismo funzionale del sistema organico bioibrido e della configurazione sperimentale per la valutazione. i L’analisi del flusso ottico ha rivelato una forte correlazione nel movimento tra l’MNA e l’intestino tenue. Viene riportato il coefficiente di correlazione di Pearson (r) tra le velocità quadratiche medie (RMS) dell’organo e dell’MNA (n = 186, ***P = 2,3 × 10−36).

In conclusione…

Il myoneural actuator rappresenta un avanzamento significativo nel campo dei sistemi bioibridi. Combinando ingegneria neurale e proprietà biologiche del muscolo, questa tecnologia supera uno dei principali limiti degli attuatori biologici: la fatica.

La possibilità di controllare il muscolo in modo preciso, sostenibile e isolato dal sistema nervoso centrale apre la strada a una nuova generazione di dispositivi medici. Protesi più naturali, organi artificiali funzionali e interfacce uomo-macchina avanzate non sono più solo ipotesi teoriche, ma obiettivi concreti.

In prospettiva, il MNA non è solo un miglioramento tecnologico, ma un cambio di paradigma: non si tratta più di sostituire il corpo con macchine, ma di potenziare il corpo stesso attraverso una nuova integrazione tra biologia e tecnologia.