Questo articolo rappresenta la Parte 2 della serie "Cosa Sono i Biosegnali?" per la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source.
GLI ATTUATORI BIOLOGICI: I MUSCOLI
In visione dei progetti che presenteremo, primo fra tutti la protesi mioelettrica, la nostra analisi si concentrerà soprattutto sul tessuto muscolare oggetto del campionamento del segnale per il funzionamento della protesi stessa. Il tessuto muscolare è il principale sistema attuatore del corpo umano, alla base delle risposte meccaniche che generano il movimento propriamente detto ma anche il corretto dinamismo dei sistemi circolatorio, respiratorio e digerente. È possibile suddividere il tessuto muscolare in 3 tipologie principali: i tessuti cardiaco e striato scheletrico di cui parleremo qui di seguito, e il tessuto muscolare liscio che, involontario e regolato dal sistema nervoso autonomo, si distingue dagli altri due perché formato da singole cellule fusiformi con lo scopo di regolare le funzioni degli organi interni, dell’iride e dell’apparato gastroenterico.
Figura 1: L’apparato muscolare è lo strumento che ci permette di agire sul mondo circostante e concretizzare con azioni le nostre idee e progetti
Figura 2: Struttura del muscolo striato scheletrico, dalla fibra fino alla sua unità funzionale, il sarcomero
MUSCOLATURA CARDIACA
Presenta caratteristiche contrattili simili a quelle del muscolo scheletrico, ma la sua azione è involontaria analogamente al muscolo liscio. C’è da fare comunque una differenziazione fra l’attivazione del muscolo liscio e quella del muscolo cardiaco: il primo, infatti, si attiva per merito del sistema nervoso neurovegetativo, mentre la depolarizzazione delle cellule del muscolo cardiaco avviene principalmente in modo spontaneo (grazie a cellule auto-ritmiche presenti a livello del nodo seno atriale) determinando un particolare ritmo e forza dell’azione di pompaggio del cuore. È possibile suddividere il tessuto muscolare cardiaco in 2 categorie: il miocardio comune e il sistema specifico. Il miocardio comune rappresenta la maggior parte del muscolo cardiaco mentre il sistema specifico è costituito da fibre poco contrattili, ma con l’importantissima funzione di generare e far viaggiare i potenziali d’azione attraverso tutto l’organo. Si potrebbe dire che il sistema specifico svolge il ruolo di “direttore d’orchestra”, coordinando l’attività del miocardio comune. La trasmissione degli impulsi e la successiva contrazione miocardica non è un evento casuale, ma regolato in modo tale da generare il cosiddetto ciclo cardiaco (alternarsi ritmico di contrazione o sistole e rilassamento o diastole). Benché il cuore abbia capacità contrattile autonoma, essa è comunque influenzata dall’attività del sistema nervoso che regola la frequenza cardiaca in base alle esigenze dell’organismo. L’attività cardiaca è sottoposta a due influenze antagoniste: il sistema ortosimpatico, che accelera il battito cardiaco, il sistema parasimpatico rallenta il ritmo di eccitazione del miocardio.
MUSCOLO STRIATO SCHELETRICO
I muscoli scheletrici costituiscono in media il 40-45% del tessuto muscolare complessivo presente nel corpo umano e sono responsabili principalmente del movimento per mezzo di meccanismi di leva mediante le ossa con i quali sono collegati grazie ai tendini. Sono costituiti dalle cosiddette fibre muscolari, cellule polinucleate di larghezza compresa tra 10 e 100μm la cui lunghezza può arrivare anche ad alcune decine di centimetri. L’attivazione della muscolatura scheletrica e la sua contrazione sono di tipo volontario. Il segnale proveniente dalle terminazioni nervose efferenti (ovvero che portano l’informazione dal cervello o dal midollo spinale al muscolo) raggiunge un punto particolare della membrana detta la zona di innervazione (o placca motrice) innescando il meccanismo contrattile. Tutte le fibre sono composte da miofibrille, piccole fibre parallele di lunghezza non superiore a qualche micrometro, a loro volta organizzate strutture dette sarcomeri. Il sarcomero è l’unità funzionale del muscolo, responsabile della sua contrazione e conseguentemente delle sue proprietà meccaniche. Ogni sarcomero è costituito da filamenti spessi e sottili; il filamento spesso è presente nella parte centrale del sarcomero ed è costituito dall’intreccio di molecole di una proteina detta miosina, mentre i filamenti sottili sono formati dall’actina, anch’essa di natura proteica. Il meccanismo che determina la contrazione del sarcomero e quindi del muscolo si basa sull’interazione dei filamenti spessi con quelli sottili sotto l’azione degli ioni calcio e potassio e del potenziale d’azione portato dal cervello tramite gli assoni efferenti che terminano nelle placche motrici del muscolo. L’accorciamento dei sarcomeri non è dovuto alla deformazione dei filamenti spessi e sottili, ma al loro mutuo scorrimento. Durante la contrazione i filamenti si legano tra di loro riducendo lo spessore del sarcomero, che invece va accorciandosi quando il muscolo si rilassa. La contrazione delle fibre all’interno di uno stesso muscolo non è sincrona (almeno in condizioni non patologiche) e sarà quindi possibile trovare in uno stesso istante filamenti che si stanno contraendo, altri che stanno per farlo, altri ancora che hanno appena finito di contrarsi e così via; il numero di fibre reclutate aumenta con la forza erogata e man mano che intervengono fenomeni di stanchezza meccanica, aumenta il loro grado di sincronia. È di fondamentale importanza ricordare che un singolo assone può innervare più fibre muscolari, mentre una singola fibra è collegata ad uno e un solo assone. Il sistema composto da un assone e dalle fibre che esso innerva prende il nome di unità motoria (UM) che può essere considerata a tutti gli effetti la più piccola unità funzionale del movimento. Variando l’ordine di attivazione delle varie unità motorie, la dimensione di quelle attive, la loro frequenza di scarica e il loro numero, il sistema nervoso centrale (SNC) ha la possibilità di modulare il risultato complessivo della risposta meccanica del muscolo, ovvero la forza erogata. Poste qui le basi dell’origine e dei meccanismi della contrazione muscolare, affronteremo in seguito le metodiche di campionamento dei relativi biosegnali, in particolare dell’ECG e dell’EMG. Sarà proprio quest’ultimo il fulcro del funzionamento della protesi mioelettrica, anello di congiunzione tra la fisiologia umana e la sua estensione tecnica.
Figura 3: Esempio di tracciato EMG in seguito al campionamento del segnale dell’attività muscolare
