Decifrare Tatto e Dolore: La Nostra Piattaforma Hi-Tech per Esplorare i Sensi

Ciao a tutti! Avete mai pensato a quanto sia complesso e affascinante il nostro sistema somatosensoriale? È quella rete incredibile che ci permette di sentire il mondo: una carezza, il calore del sole, la puntura accidentale di uno spillo. Per anni, noi scienziati abbiamo cercato di svelarne i segreti, ma diciamocelo, gli strumenti a disposizione non erano sempre all’altezza. Spesso ci siamo scontrati con problemi di ripetibilità e accuratezza. Immaginate di dover misurare la sensibilità della pelle usando strumenti manuali: basta una minima variazione nella pressione o nel punto di applicazione per falsare i risultati. Ecco, è proprio per superare questi limiti che abbiamo deciso di rimboccarci le maniche e creare qualcosa di nuovo.

La Sfida: Superare i Limiti del Passato

Per studiare le sensazioni meccaniche, come il tatto o la pressione, uno strumento classico è il filamento di Von Frey. Si tratta di piccoli filamenti di nylon che si piegano applicando una forza specifica. Utili, sì, ma molto dipendenti dalla mano dell’operatore. La forza applicata, la velocità, persino il punto esatto sulla pelle possono variare, rendendo difficile confrontare i dati. E poi, ogni filamento ha un’area di contatto diversa, il che può influenzare la percezione.

Per il dolore da pressione, si usa spesso l’algometro a pressione, un dispositivo elettronico con una punta che misura la forza. Migliore, ma ancora manuale e con aree di contatto fisse, a volte piuttosto grandi. Per gli stimoli termici, invece, si usano dispositivi basati su celle di Peltier, che possono scaldare o raffreddare. Funzionano, ma di solito hanno aree di contatto ampie e non permettono di studiare risposte molto localizzate.

Insomma, avevamo bisogno di un salto di qualità. Serviva uno strumento che:

• Integrasse stimolazione meccanica e termica in un’unica piattaforma.
• Offrisse stimoli focalizzati, con piccole aree di contatto.
• Garantisse massima precisione e ripetibilità grazie all’automazione.
• Fosse versatile, capace di indagare sia il semplice tocco che la sensazione di dolore.

La Nostra Soluzione: Un Banco di Prova Innovativo

Ed eccoci qui a presentarvi il nostro gioiellino: un banco di prova meccatronico all’avanguardia. È il risultato di un’attenta progettazione, pensata per rispondere a tutte quelle esigenze che gli strumenti tradizionali lasciavano insoddisfatte. Immaginatelo come un piccolo laboratorio di precisione dedicato ai sensi.

Al cuore del sistema c’è un sistema di posizionamento cartesiano a 3 assi ad altissima risoluzione. Questo braccio robotico può muovere i nostri stimolatori con una precisione micrometrica (parliamo di 0.5 µm!), assicurando che lo stimolo venga applicato sempre nello stesso punto, con la stessa velocità e la stessa forza o temperatura desiderata. Addio all’incertezza della mano umana!

Abbiamo integrato due tipi di stimolatori:

1. Stimolatore Meccanico: Basato su un sistema che può essere controllato sia in forza che in posizione. Possiamo applicare forze fino a 5 Newton con una risoluzione incredibile (1 milliNewton!). Utilizza puntali intercambiabili molto piccoli (da 0.3 a 3 mm di diametro), il che ci permette di applicare uno stimolo continuo mantenendo un’area di contatto costante e ridotta. Registriamo continuamente sia la forza applicata che la posizione.
2. Stimolatore Termico: Un sistema custom basato su una cella di Peltier, collegata a un puntale in alluminio con un diametro finale di soli 3 mm. Questo ci permette di studiare la risposta a stimoli termici molto focalizzati, un aspetto finora poco esplorato. Possiamo controllare la temperatura con precisione tra 5°C e 60°C, coprendo l’intera gamma, dal freddo pungente al caldo doloroso, e possiamo anche regolare la velocità di riscaldamento o raffreddamento.

Il tutto è gestito da un’interfaccia software sviluppata su misura (usando Labview, per i più tecnici tra voi), che ci permette di programmare profili di stimolazione complessi, alternare stimoli meccanici e termici, e registrare le risposte dei partecipanti in modo automatico e sincronizzato. C’è anche un pulsante di stop che il volontario può premere appena percepisce la sensazione richiesta (tocco, caldo, freddo, dolore), registrando istantaneamente la soglia.

Mettere alla Prova la Nostra Creazione

Naturalmente, non ci siamo fermati alla costruzione. Abbiamo voluto testare subito le capacità del nostro banco di prova. Abbiamo coinvolto 12 volontari sani (metà uomini, metà donne, età media 27.5 anni) in uno studio approvato dal comitato etico. L’obiettivo? Misurare diverse soglie sensoriali sulla punta del dito indice e sull’avambraccio interno, due zone con sensibilità diversa.

Abbiamo misurato:

• Soglia Meccanica Innocua (MIT): La minima forza necessaria per percepire un tocco.
• Soglia Meccanica Dolorosa (MPT): La minima forza che provoca una sensazione di fastidio/dolore.
• Soglia Termica di Sensazione Calda (TWST): La minima temperatura percepita come calda.
• Soglia Termica di Dolore Caldo (THPT): La minima temperatura che provoca dolore da caldo.
• Soglia Termica di Sensazione Fredda (TCST): La minima temperatura percepita come fredda.
• Soglia Termica di Dolore Freddo (TCPT): La minima temperatura che provoca dolore da freddo.

In più, grazie all’integrazione dei due stimolatori, abbiamo potuto fare qualcosa di veramente interessante: testare la capacità dei partecipanti di distinguere la natura di uno stimolo doloroso. Applicavamo in modo casuale uno stimolo meccanico, caldo o freddo (tarato sulla soglia dolorosa individuale trovata prima) e chiedevamo loro di dirci cosa avevano sentito. Questo tipo di studio è stato fatto raramente e con metodologie poco precise in passato.

Cosa Abbiamo Scoperto?

I risultati sono stati entusiasmanti e hanno confermato la validità del nostro approccio!
Prima di tutto, il banco di prova si è dimostrato perfettamente in grado di generare un’ampia gamma di forze e temperature capaci di indurre sensazioni diverse, dal semplice tocco al dolore.

Analizzando le soglie, abbiamo trovato differenze statisticamente significative tra le soglie innocue e quelle dolorose, sia per gli stimoli meccanici che per quelli freddi. Questo dimostra che i partecipanti distinguevano chiaramente tra una sensazione normale e una dolorosa, e il nostro strumento era abbastanza sensibile da cogliere questa differenza.

Confrontando mano e avambraccio, sono emerse differenze interessanti per gli stimoli termici: la soglia per la sensazione di freddo (TCST) e quella per il dolore da caldo (THPT) erano significativamente diverse tra le due zone. Questo conferma che la sensibilità non è uniforme sul corpo. Per le soglie meccaniche, abbiamo visto che serve più pressione per sentire un tocco sull’avambraccio rispetto al dito (come ci si aspetta, data la diversa densità di recettori), mentre per il dolore da pressione non c’era una differenza statisticamente significativa tra le due zone, in linea con altri studi.

Un aspetto chiave è stato l’uso del nostro puntale termico piccolo (Ø 3 mm). Volevamo studiare la risposta a stimoli molto localizzati. Abbiamo notato che le nostre soglie di sensazione termica (caldo e freddo) erano un po’ diverse da quelle riportate in letteratura, dove si usano aree di stimolazione molto più grandi (fino a 24 cm² contro i nostri 0.07 cm²!). Probabilmente, con un’area così piccola è più difficile riconoscere una variazione termica lieve, portando a soglie di sensazione calda più alte e di sensazione fredda più basse rispetto agli studi classici. Questo però apre nuove strade per indagare la sensibilità a livello puntiforme! Le soglie del dolore termico, invece, erano più in linea con i dati esistenti.

E l’esperimento sulla discriminazione del dolore? Anche qui, risultati affascinanti. Lo stimolo meccanico è stato quello riconosciuto più facilmente e quasi mai confuso. Lo stimolo freddo è stato a volte confuso con quello caldo, ma mai con quello meccanico. Lo stimolo caldo è risultato il più “difficile”, venendo confuso sia con il freddo che, in piccola parte, con il meccanico. Questi risultati suggeriscono l’attivazione di diverse vie nervose e tipi di recettori (nocicettori) a seconda dello stimolo. Il nostro sistema ha permesso di condurre questo test in modo molto più rigoroso e ripetibile rispetto al passato.

Perché il Nostro Testbed Fa la Differenza?

Rispetto alle tecnologie esistenti, il nostro banco di prova offre vantaggi concreti:

• Integrazione: Meccanico e termico insieme, nella stessa sessione, con lo stesso setup. Questo velocizza gli esperimenti e permette confronti diretti e rigorosi.
• Precisione Spaziale e Ripetibilità: Grazie al sistema di posizionamento automatico e ai sistemi di fissaggio per braccio/mano, stimoliamo sempre lo stesso punto con estrema accuratezza.
• Stimoli Controllati e Costanti: Sia la forza che la temperatura possono essere applicate in modo continuo e misurato, con un’area di contatto piccola e fissa (per lo stimolo meccanico) e velocità controllata.
• Versatilità: Adatto a studiare tutta la gamma di sensazioni, dal tocco lieve al dolore intenso.
• Stimolazione Focalizzata: Il piccolo puntale termico apre alla possibilità di studiare la sensibilità a livello quasi puntiforme.
• Affidabilità: Risultati più consistenti e affidabili, fondamentali per la ricerca scientifica.

Questo strumento non è solo un passo avanti tecnico, ma apre porte a nuove ricerche. Potrebbe essere utilissimo per studiare come ripristinare sensazioni fisiologiche in persone con amputazioni che usano protesi di nuova generazione, per valutare condizioni post-operatorie, per capire meglio patologie legate al dolore cronico, o persino per testare modelli di pelle innervata in laboratorio (cosa che faremo presto nel progetto europeo SOMA!).

Siamo davvero entusiasti delle potenzialità di questo banco di prova. È uno strumento potente che ci aiuterà a “decifrare” ancora meglio i complessi meccanismi del nostro senso del tatto e della percezione del dolore, con una precisione e un’affidabilità mai raggiunte prima. E questo è solo l’inizio!

Fonte: Springer