Design and implementation of intraneural stimulation paradigms for functional grasping restoration in non-human primate model of upper limb paralysis

The ability of grasping and manipulating objects is a very important task that allows the interaction of human beings with their surrounding environment. Its restoration in people affected from traumatic or pathological motor disorders resulting in upper limb paralysis is crucial for regaining independence and, overall, improving their quality of life. With this aim, functional electrical stimulation of forearm muscles has been already integrated in neuroprosthetic devices. However, due to the complexity of the requested setup and the unnatural recruitment order resulting in fast generation of fatigue, the functional restoration of dexterity and grasping still remains an unresolved challenge. Peripheral nerve stimulation has shown promising results in overcoming the drawbacks of FES in terms of selectivity and number of accessible muscles. Their natural recruitment has been shown to restore graded and selective control over leg muscles in animal models and to elicit stable and selective sensations in human amputees. Its use for the selective activation of paralyzed upper limb muscles for the restoration of fine hand movements has not yet been shown. The work of this thesis is hence placed in the context of the development of an implantable neuroprosthesis based on intraneural electrical stimulation for the restoration of grasping functions in non-human primates. Here, I first present the implementation of a modular stimulation platform that allows the design and testing of stimulation paradigms to restore manual dexterity. The use of this platform permitted a thorough characterization of the motor output elicited from the intraneural stimulation. The second part of the work consists in the functional deployment of the obtained activation maps showing the generation and control of grasping forces in real time. Taken together, the developments presented in this thesis allow for a comprehensive characterization of the effects of intraneural stimulation of upper arm nerves. The results demonstrate that the achieved selectivity in distal hand muscle recruitment can be functionally exploited for the generation of precise grasping patterns. The obtained level of controllability via the modulation of the stimulation intensity supports the functionality of the intraneural implant and suggests the potential of using it for restoring fine control of grasping.

La capacità di afferrare e manipolare gli oggetti è un'abilità molto importante che consente l'interazione degli esseri umani con il proprio ambiente circostante. Il suo recupero in persone affette da disturbi motori dovuti a traumi o patologie che ne hanno causato la paralisi degli arti superiori è fondamentale per la riconquista dell'indipendenza e, nel complesso, per migliorarne la qualità di vita. Con questo obiettivo, la stimolazione elettrica funzionale (FES) del sistema neuromuscolare distale dell'avambraccio è già stata integrata in dispositivi neuroprotesici. Tuttavia, a causa della complessità dei setup richiesti e dell'ordine innaturale nel reclutamento delle fibre muscolari risultante in rapida generazione di affaticamento, il ripristino funzionale dei movimenti fini della mano rimane tutt’oggi un obiettivo irrisolto. Accedere a diversi rami del sistema nervoso periferico stimolando direttamente il nervo in una posizione più prossimale rappresenta una valida alternativa alla FES neuro-muscolare e ai suoi svantaggi in termini di selettività e numero di muscoli raggiungibili da un unico impianto. Gli elettrodi intraneurali hanno dimostrato di saper ripristinare un controllo stabile, graduale e selettivo dei muscoli delle gambe in modelli animali e di suscitare sensazioni naturali e selettive in soggetti amputati. Nonostante ciò, non è stato ancora mostrato il loro uso per l'attivazione selettiva dei muscoli paralizzati degli arti superiori per il ripristino di movimenti fini delle mani. Il lavoro di questa tesi è quindi inserito nel contesto dello sviluppo di una neuroprotesi impiantabile basata sulla stimolazione elettrica intraneurale per il ripristino delle funzioni di grasping in primati non umani Nella prima parte del lavoro presento l'implementazione di una piattaforma di stimolazione modulare che consente di progettare e testare paradigmi di stimolazione atti al ripristino della destrezza manuale. Il suo uso permette di ottenere una caratterizzazione completa dell'output motorio derivante dalla stimolazione intraneurale in termini di risposta muscolare e movimento risultante. La seconda parte del lavoro ha affrontato l’obiettivo del ripristino di movimenti della mano che siano funzionali e controllabili, in opposizione alla generazione di semplici configurazioni predetefinite. I risultati ottenuti dalle mappe di attivazione muscolare sono stati utilizzati per mostrare la generazione ed il controllo della forza di grasping in tempo reale. Nel suo insieme, la piattaforma di stimolazione modulare sviluppata in questo lavoro di tesi consente di ottenere una caratterizzazione completa degli effetti della stimolazione intraneurale dei nervi del braccio. I risultati dimostrano che la selettività raggiunta nel reclutamento dei muscoli distali di mano e polso può essere sfruttata funzionalmente per la generazione di precisi movimenti di presa. Il livello di controllabilità ottenuto attraverso la modulazione dell'intensità di stimolazione supporta la funzionalità dell'impianto intraneurale in esame e ne suggerisce il potenziale per l’utilizzo nel ripristino del controllo dei movimenti fini della mano.