DISTURBI DEL CONTROLLO MOTORIO E CARDIORESPIRATORIO

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1 DISTURBI DEL CONTROLLO MOTORIO E CARDIORESPIRATORIO Responsabile scientifico di progetto MYRKA ZAGO IRCCS S. Lucia Finanziamento 2006 Centro di Bio-Medicina Spaziale, Università di Roma Tor Vergata

2 Sezione III: Attività per progetti RAZIONALE Nell ambito del Quadro comunitario di sostegno (QCS) 2000/2006, la Sanità, nell accezione di salute come benessere globale, è stata riconosciuta a pieno titolo tra gli elementi che compongono la politica di sviluppo del Paese. Il Piano Sanitario Nazionale (PSN) , sulla base delle linee guida del Programma Nazionale di Ricerca, orienta le sue attività su quattro aree tematiche, tra le quali quella della Salute. L Unità applicativa Medicina e Biotecnologie (MED) mira ad utilizzare lo spazio sviluppando progetti applicativi per l avanzamento delle conoscenze, il sostegno della ricerca orientata allo sviluppo di tecnologie chiave ed il potenziamento delle attività produttive e di innovazione nel settore bio-medico. L Unità applicativa MED promuove l utilizzo dei sistemi spaziali per migliorare le ricadute applicative in medicina e biotecnologie, sviluppa i prodotti applicativi di propria pertinenza e definisce i requisiti utente. In particolare svolge le seguenti attività: Acquisisce le conoscenze sullo scenario mondiale in merito alle applicazioni dei sistemi spaziali nel settore della medicina e biotecnologie. Gestisce i rapporti con la comunità scientifica, promuovendo l integrazione tra ricerca pubblica e privata ed il trasferimento tecnologico. Assicura la pianificazione e lo sviluppo coordinato di tutti i programmi che afferiscono all unità stessa. Il programma in oggetto si inserirà in un contesto internazionale in cui le principali agenzie spaziali operano con elevato livello di cooperazione. I programmi internazionali non europei I principali attori della ricerca biomedica spaziale non europea sono certamente gli USA e la Russia. Entrambi perseguono ampi programmi nel settore in questione. Tuttavia particolare enfasi viene data ad alcuni aspetti. Il Biomedical Research and Countermeasures Program della NASA si propone di effettuare ricerche che portino allo sviluppo ed all implementazione di contromisure per gli effetti negativi che il volo spaziale ha sull uomo, in particolare si concentra sulla fisiologia cardiopolmonare e muscolo-scheletrica, le neuroscienze, l immunologia e l ematologia, la nutrizione ed il metabolismo con uno sguardo agli sviluppi tecnologici correlati. Queste attività intendono espandere la comprensione della fisiologia e delle prestazioni umane ed ampliare le capacità operative nel campo biomedico, per migliorare la qualità della vita sulla terra. La NASA ha sviluppato e messo in orbita un laboratorio, il Destiny, attualmente dedicato soprattutto alla ricerca biomedica e la Human Research Facility dedicata specificamente alla fisiologia umana. L Institute for BioMedical Problems della Federal Space Agency (FSA) Russa, pur avendo un programma ad ampio spettro finalizzato al volo umano di lunga permanenza, focalizza le proprie attività in particolare sullo studio del sistema neurologico, di quello muscolo-scheletrico e dello sviluppo di rela

3 Disturbi del controllo motorio e cardiorespiratorio tive contromisure. I Russi metteranno in orbita nel 2007 un nuovo modulo Multifunction Laboratory Module dedicato principalmente alla ricerca biomedica. Grande attenzione è data dai Russi anche alle capsule recuperabili Foton/Bion per esperimenti in particolare di biologia animale, vegetale, cellulare e di radiobiologia. Quest ultima è di grande interesse a livello internazionale per gli effetti delle radiazioni sull uomo nelle lunghe permanenze. Questo interesse ha portato allo sviluppo congiunto ESA/FSA di Matroska, un manichino che simula l uomo con i suoi organi e tessuti. I programmi europei L Italia partecipa come terzo contribuente al programma ESA European programme for Life and Physical sciences and applications (ELIPS). Questo programma si propone di perseguire l eccellenza nella ricerca fondamentale ed in quella applicata nel campo delle Scienze della Vita e Fisiche usando le particolari condizioni dello spazio, in specie la Stazione Spaziale Internazionale ma anche altre piattaforme, dai razzi sonda ai Foton russi. Gli obiettivi possono essere sintetizzati in: (a) l esplorazione della natura e l origine della vita, (b) il miglioramento della salute, (c) l innovazione delle tecnologie, (d) la protezione dell ambiente. Nell ambito dell obiettivo (b), particolare enfasi viene data allo studio del sistema cardiovascolare, delle modificazioni dell apparato muscolo-scheletrico e dell apparato neurovestibolare. Il programma ESA, in sostanza, per raggiungere i propri obiettivi provvede a selezionare gli esperimenti europei più meritevoli, a fornire le opportunità di volo sulle diverse piattaforme spaziali nonché a sviluppare facility o specifici strumenti per effettuare gli esperimenti. Le Agenzie nazionali sono chiamate, ove interessate, a supportare i ricercatori nazionali e l eventuale sviluppo degli Experiment Container per gli esperimenti nazionali. In particolare un grande sforzo è stato fatto dall ESA nella realizzazione del laboratorio Columbus e delle facility Biolab, European Physiology Module, EMCS, Microgravity Science Glovebox, MARES ed altre per la sperimentazione in diverse aree della ricerca bio-medica. Inoltre ESA sta sviluppando una facility multiuso per la sperimentazione su piccoli animali (Mice on International Space Station) come evoluzione della facility italiana Mice Drawer System (MDS). I programmi nazionali I contenuti del presente programma sono in linea con tutti quelli analoghi a livello internazionale, concentrandosi su alcune tematiche in cui è evidente una condizione di vantaggio consistente nella particolare eccellenza dei gruppi di ricerca nazionali. L Italia ha sottoscritto il nuovo envelope programme ELIPS di ESA comprendente, come descritto nel paragrafo precedente, un ampio programma di Bio-Medicina. ASI può inoltre espandere le sue attività negli specifici campi di interesse nazionale, attraverso l utilizzazione di risorse spaziali proprie quali quelle risultanti dallo MOU ASI/NASA sull utilizzo dell ISS e della base di Trapani per gli esperimenti su pallone stratosferico. Nell ambito dei progetti applicativi di cui al presente documento,

4 Sezione III: Attività per progetti questa condizione pone l Italia in una posizione di leadership internazionale nel campo della ricerca bio-medica spaziale, come documentato anche dal successo riportato nelle precedenti selezioni internazionali. Poiché la piattaforma spaziale, a causa del ridotto livello di gravità, consente l introduzione di alterazioni fisiche, biologiche, e comportamentali sia nei voli di breve che di lunga durata, per la maggior parte reversibili al ritorno a terra, essa rappresenta un ambiente ideale ed accelerato per studiare le cause, i meccanismi ed i protocolli su pazienti a terra. Nel contesto delineato il progetto sarà dedicato all avanzamento delle conoscenze di fisiopatologia e allo sviluppo di terapie e tecnologie per il miglioramento delle condizioni della vita sulla Terra per le persone affette da disabilità neuromotorie e cardiorespiratorie. OBIETTIVI Il progetto si propone di sviluppare nuovi metodi e tecnologie per la riabilitazione motoria di derivazione spaziale e di decondizionamento cardiovascolare. La ricerca e l innovazione tecnologica saranno orientate in particolare all analisi di: Basi neurali della memoria della gravità terrestre e delle sue alterazioni. Basi neurali della imitazione dei movimenti e della sua alterazione in micro-g. Ruolo della gravità e delle sue modificazioni nel controllo delle funzioni neuromotorie, cognitive, cardiovascolari e respiratorie. Meccanismi dei disturbi sensori-motori, cognitivi e del decondizionamento cardio-respiratorio. Definizione di nuove metodologie per lo studio dei disturbi del controllo neuromotorio e cardiorespiratorio. Integrazione e uso del web associato al servizio/applicazione. DISCUSSIONE Dal progetto sono attesi ritorni di tipo sia strategico che sociale. I risultati di questi studi tendono a creare le condizioni di una collocazione di ASI nello scenario nazionale come partner del Servizio Sanitario Nazionale e come catalizzatore di spin-off industriali nei settori delle biotecnologie e della miniaturizzazione delle apparecchiature medicali. In ambito strategico Accrescimento delle competenze industriali per quanto riguarda l introduzione di tecnologie biomedicali, la bioingegneria, lo sviluppo di strumentazione per la misura, la diagnostica, la prevenzione ed il trattamento. Occupazione qualificata. Collaborazioni internazionali. Sviluppo della conoscenza e dell eccellenza scientifica. Integrazione e diffusione delle competenze mediante la creazione di network scientifici di grandi dimensioni

5 Disturbi del controllo motorio e cardiorespiratorio In ambito sociale Integrazione di competenze multidisciplinari. Sviluppo di servizi di pubblica utilità. Impatto dell iniziativa sulla qualità della vita. Contromisure preventive, riabilitative, farmacologiche (farmaci innovativi), fisiche o strumentali. Networks terapeutici (presa in carico del paziente da parte di strutture polifunzionali virtuali con alto livello di specializzazione). Protocolli di riabilitazione nella terapia dei pazienti motulesi. Sviluppo di metodologie innovative per homecare e telemedicina. Riabilitazione mediante Realtà Virtuali e neuroprotesi. Visualizzazione di dati bio-medici a struttura complessa. Nuovi approcci terapeutici al morbo di Parkinson, Alzheimer, malattie neurodegenerative, scompenso cardio-vascolare e insufficienza respiratoria. WORK PACKAGE DESCRIPTION WP 1B11/5 Learning and memory 2. from 1B Background survey from available literature about memory for action events. 2. Laboratory experiments on motor memory in healthy subjects in a familiar environment. 3. Selection of control tasks directed at excluding confounding factors. 4. Data analysis from control subjects. 5. Adaptation of the paradigm to space flight conditions. 6. Assessment of ISS experiments on memory for previously performed actions under microgravity. 7. Proposal of protocols for application of collected information to treatment of memory/awareness disorders. 8. Participation to project meetings and reviews. 2. Development of new diagnostic neuropsychological approaches. 3. Periodic updates to 1B13A, 1B13B, 1B147, 1B Development of new SW for running the experiments (experimental and control tasks). 5. Development of new SW for data processing

6 Sezione III: Attività per progetti 6. Design of a new set-up adapting the final paradigm to space flight conditions and detection of weighting factors related to use of the paradigm in non-conventional experimental settings. 7. Report on clinical applicability of present research to neurological and neuropsychological issues. excluded 1. Execution of flight campaigns is excluded, being the responsibility of 1B147, 1B148, 1B42, 1B44. WP 1B11/8 Timing and bio-rhythms 2. from 1B Background survey from available literature and databases about timing and bio-rhythms. 2. Plan of experiments on timing and bio-rhythms. 3. Analysis of scientific requirements for head mounted display (HMD). 4. Analysis of experimental goals. 5. Analysis of required operations. 6. Analysis of potential users. 7. Survey on available HMDs. 8. Procurement of selected HMD for the execution of the activities. 9. Execution of planned experiments. 10. Analysis of the results. 11. Participation to project meetings and reviews. 2. Development of a setup based on HMD for timing. 3. Periodic updates to 1B1/1, 1B1/2, 1B1/4, 1B11/5, 1B11/7, 1B1123, 1B13B, 1B145, 1B15/6. 4. Contribution to DEL 022 (Scientific/technical requirements for CLOC). 5. Contribution to DDN. WP 1B112 Integrative systems studies 2. Periodic documentation from members of the DCMC network. 1. <COFIN> Survey and analysis of data from previous integrative systems studies

7 2. <COFIN> Cross-sectional integration of results from 1B1121, 1B1122, 1B1123, 1B1124, 1B1125, 1B1126, 1B1127, 1B1128, 1B <COFIN> Survey of results from nodes 1B111, 1B <COFIN> Periodic reports on WP activities. 2. <COFIN> DEL 026 (Mid term report integrated systems studies) at KO+18 months. 3. <COFIN> DEL 052 (Final report integrated systems studies) at KO+36 months. WP 1B1123 The internal model of gravity Disturbi del controllo motorio e cardiorespiratorio 2. from 1B Background analysis to define general scientific and technical framework. 2. Perusal of scientific background on the use of immersive visual simulation. 3. Scientific motivation and identification of general aims of the project. 4. Plan of the proposed experiments for normative data in healthy agedmatched people. 5. Plan of the proposed experiments for selected casuistry with neuromotor disorders. 6. Contribution to survey and identification of multi-screen, multi-wall projections done by 1B1/4. 7. Implementation of immersive visual simulation and control interfaces. 8. Execution of experiments for normative data in healthy agedmatched people. 9. Execution of experiments for selected casuistry with neuromotor disorders. 10. Kinematic data analysis. 11. EMG data analysis. 12. Modeling of data using alternative computational schemes. 13. Interpretation of results. 14. Analysis of immersive visual simulation applications for motor disorders. 15. Participation to project meetings and reviews. 2. Development of novel protocol for internal model of gravity

8 Sezione III: Attività per progetti 3. Periodic updates to 1B1/2, 1B11/2, 1B11/3, 1B11/4, 1B11/8, 1B1124, 1B131, 1B132, 1B134, 1B146, 1B152, 1B1523, 1B1526, 1B2/1, 1B45, 1B Contribution to DEL 020 (Scientific/technical requirements for VIRA). 5. Contribution to DDN. WP 1B1124 Visual perception of gravity 2. from 1B Adaptation of visual stimulation techniques developed in 1B1123 and 1B11/8. 1. Background analysis to define general scientific and technical framework. 2. Analysis of high resolution techniques for dynamic brain imaging of cortical mechanism. 3. Analysis of scientific requirements. 4. Analysis of experimental goals. 5. Analysis of required operations. 6. Experiments on cortical dynamic processing of normogravity and simulated microgravity. 7. Experiments on cortical dynamic processing of apparent gravitational motion. 8. Participation to project meetings and reviews. 2. Development of novel protocols for cortical processing of gravity and simulated microgravity. 3. Periodic updates to 1B1/1, 1B11/3, 1B11/4, 1B11/7, 1B11/8, 1B131, 1B132, 1B138, 1B146, 1B152, 1B2/1, 1B45, 1B46, 1B Contribution to DEL 045 (Scientific/technical requirements for two new payloads). 5. Contribution to DEL 021 (Scientific/technical requirements for WHOS). 6. Contribution to DDN. WP 1B136 Kinematic protocols 2. from 1B

9 1. Background survey from available literature and databases about real time data processing. 2. Testing of motion capture system (identified by 1B11/2). 3. Testing of real time communication protocols. 4. Programming and testing of real time visualization of 3D limb motion. 5. Programming in MATLAB for real time evaluation of the inter-segmental coordination and of the endpoint motion. 6. Programming the utilization of feedback of body kinematics. 7. Laboratory experiments and on-line analysis of the kinematic data and motor patterns during walking in normal and simulated reduced gravity conditions. 2. Periodic updates to 1B11/2. 3. Development of new SW for on-line processing of kinematics. 4. Development of a new setup to implement feedback of body kinematics as a guide to external actuators in normo- and hypo-gravity. WP 1B142 Scientific requirements for HPA2-P Disturbi del controllo motorio e cardiorespiratorio 2. Periodic documentation from members of the DCMC network. 3. HPA, HPA2 and accessories: documentation from industry. 1. Survey and analysis of sensorized devices for monitoring hand and finger kinematics/kinetics. 2. Overview on the instrumentation for monitoring biomedical parameters already available as separate payloads/instruments on board the ISS. 3. Identification of scientific and technical requirement of instrumented glove or equivalent sensorized device for monitoring hand and finger kinematics/kinetics. 4. Procurement and adaptation of commercial systems to monitor hand posture, finger movements, contact forces. 5. Test pilot versions of scientific protocols on the commercial system to generate appropriate specs for the new generation hand posture analyzer. 6. Support to industry in the identification of general HW/SW characteristics for HPA2-P. 7. Participation to project meetings and reviews

10 Sezione III: Attività per progetti 2. DEL 015 (Scientific/technical requirements for HPA2-P). Excluded 1. Design, manufacturing and testing of HPA2-P and accessories are under the responsibility of Kayser Italia (1B4 node). WP 1B143 Data analysis HPA2-P 2. from 1B Data from HPA experiments. 1. Survey from available technical and scientific literature. 2. Test the calibration of glove data. 3. Definition of analysis protocol for extraction of distal points. 4. Definition of analysis protocol for kinematics of selected DOFs. 5. Analysis of BDC and in-flight data for HPA currently on ISS. 6. Analysis of data from different HPA Protocols. 2. One set of SW package for data analysis. 3. One set of analyzed data. 4. Periodic updates to 1B131, 1B141, 1B146. WP 1B145 Data analysis ELITE S2 2. from 1B Data from ELITE S2 experiments. 1. Survey from available technical and scientific literature on cutting-theedge analysis of kinematic data. 2. Definition of analysis algorithms. 3. SW implementation. 4. Analysis of data from ELITE S2. 2. One set of SW package for data analysis. 3. Periodic updates to 1B131, 1B141, 1B

11 WP 1B15/2 Vibromechanical stimuli 2. from 1B Background survey from available literature about the use of vibromechanical stimuli. 2. Investigation on mechanical insoles to apply haptic stimuli to the foot. 3. Comparison of vibratory versus pneumatic inflatable insoles. 4. Investigation on SW for the control of the mechanical insoles. 5. Testing of a new experimental set-up to study the effect of tactile stimulation during walking in normal and reduced gravity conditions. 6. Laboratory experiments on the effect of tactile stimulation during sitting, standing and walking in normal and reduced gravity conditions. 7. Data analysis. 2. Periodic updates to 1B15/5, 1B152, 1B1524, 1B45, 1B46, 1B Contributes to DEL 021 (Scientific/technical requirements for WHOS). 4. Development of mechanical insoles to apply haptic stimuli to the foot. 5. Development of SW for the control of the mechanical insoles. 6. Protocol for application of vibro-mechanical stimuli as a countermeasure. WP 1B15/5 Recovery of spatial disorientation 2. from 1B15. Disturbi del controllo motorio e cardiorespiratorio 1. Background survey from available literature and databases about spatial disorientation in humans. 2. Laboratory experiments using visual stimulation in healthy subjects in a familiar environment. 3. Laboratory experiments using vibro-tactile stimulation in healthy subjects in a familiar environment. 4. Selection of control tasks directed at excluding confounding factors. 5. Data analysis from control subjects. 6. Laboratory experiments using visual stimulation in clinical population. 7. Laboratory experiments using vibro-tactile stimulation in clinical population. 8. Data analysis from patients

12 Sezione III: Attività per progetti 9. Comparison of data from patients with symptoms of spatial disorientation in astronauts. 10. Investigation of protocols for application of collected information to treatment of spatial disorientation. 2. Periodic updates to 1B15/2, 1B152, 1B1524, 1B45, 1B46, 1B Contributes to DEL 021 (Scientific/technical requirements for WHOS). 4. Development of new SW/HW for experimental and diagnostic purposes. 5. Development of new SW for data processing. 6. Report on clinical applicability of present WP to neurological and neuropsychological issues. 7. Development of a protocol for diagnosis or treatment of spatial disorientation in patients and astronauts. Excluded 1. Execution of flight campaigns is excluded, being the responsibility of WP 1B147, 1B148, 1B42, 1B440. WP 1B15/6 - Cognitive performance 2. from 1B Background survey from available literature and databases about cognitive performance and time perception in humans. 2. Laboratory experiments in healthy subjects in a familiar environment. 3. Selection of control tasks directed at excluding confounding factors. 4. Data analysis from control subjects. 5. Data analysis from patients with cognitive impairment. 6. Data analysis from astronauts in pre-flight, in-flight and post-flight conditions. 7. Comparison of data from patients with cognitive deficits in astronauts. 8. Investigation of protocols for application of collected information to counter or treat cognitive alterations of time perception disorders. 2. Development of new SW for experimental purposes (experimental and control tasks). 3. Development of new SW for data processing. 4. Report on clinical applicability of present WP to neurological and neuropsychological issues

13 Disturbi del controllo motorio e cardiorespiratorio Excluded 1. Execution of flight campaigns is excluded, being the responsibility of WP 1B147, 1B148, 1B42, 1B44. WP 1B1524 Proprioceptive stimulation 2. from 1B Background survey from available literature about the use of proprioceptive stimulation. 2. Scientific motivation and identification of general aims. 3. Plan of the proposed experiments for normative data in healthy agedmatched people. 4. Plan of the proposed experiments for selected casuistry with neuromotor disorders. 5. Design of servo-controlled stimulators for the proposed experiments, and setup for data collection. 6. Implementation of servo-controlled proprioceptive stimulators and control interfaces. 7. Assessment of Product assurance and Safety issues. 8. Assessment of Ethical Issues in the application to patients. 9. Execution of experiments for normative data in healthy agedmatched people. 10. Execution of experiments for selected casuistry with neuromotor disorders. 11. Kinematic data analysis. 12. Energetics analysis. Computation of kinetic and gravitational potential energies. 13. Interpretation of results. 2. Periodic updates to 1B13, 1B15/2, 1B15/5, 1B45, 1B46, 1B Contributes to DEL 021 (Scientific/technical requirements for WHOS). 4. Development of servo-controlled proprioceptive stimulators. 5. Development of SW for the control of the stimulators. 6. Protocol for application of proprioceptive stimulation as a countermeasure. WP 1B1525 Body weight unloading in rehabilitation 2. from 1B

14 Sezione III: Attività per progetti 1. Background survey from available literature about simulated reduced gravity as a tool for neurohabilitation. 2. Investigation on different systems to apply body weight unloading. 3. Identification of the installation site and environmental characteristics. 4. Analysis of required skills for operators. 5. Definition of system interface, mass, volume, power. 6. Definition of operators / test subjects interfaces. 7. Assessment of Product assurance and Safety issues. 8. Assessment of Ethical Issues in the application to patients. 9. Identification of areas of technological uncertainties/risk and development uncertainty. 10. Investigation on SW for the control of the body weight unloading system. 11. Testing of the experimental set-up simulating reduced gravity conditions. 12. Pilot experiments on age-matched healthy subjects. 13. Tests on patients with neuromotor disabilities, such as spinal cord lesions. 14. Data analysis. 2. Periodic updates to 1B1/4, 1B11/2, 1B11/6, 1B1117, 1B1119, 1B121, 1B136, 1B137, 1B13B, 1B145, 1B15/2, 1B1517, 1B152, 1B Documentation on the body weight unloading system. 4. Protocol for application of body weight unloading in rehabilitation