Il professor Tim Denison spiega come la tecnologia di neuromodulazione sta trasformando l'assistenza sanitaria. / Professor Tim Denison on how neuromodulation technology is transforming healthcare

 Il professor Tim Denison spiega come la tecnologia di neuromodulazione sta trasformando l'assistenza sanitaria. / Professor Tim Denison on how neuromodulation technology is transforming healthcare

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Il professor Tim Denison, titolare della cattedra di tecnologie emergenti presso la Royal Academy of Engineering e co-fondatore di Amber Therapeutics, analizza l'impatto della neuromodulazione sulla medicina. 

Nei prossimi decenni, i dispositivi medici inizieranno ad assomigliare meno a " macchine " e più a processi fisiologici. Non si tratta di una questione di forma, ma di funzione. Mentre i tradizionali impianti medici attivi hanno spesso funzionato come strumenti statici, ad esempio fornendo output fissi in risposta ad input limitati, la prossima generazione adotterà le caratteristiche distintive dei sistemi biologici: adattabilità, capacità di anticipazione e ritmicità .

Questa transizione ha profonde radici intellettuali. I primi cibernetici, in particolare Norbert Wiener e W. Ross Ashby, sostenevano che un controllo efficace richiede un modello interno del sistema da regolare. La biologia, affinata attraverso l'evoluzione, incarna questo principio. Integra il feedback con la previsione, adattando il comportamento non solo in risposta ai disturbi, ma anche anticipandoli. Evolutasi su un pianeta con un periodo ritmico di circa 24 ore, la biologia ha potuto sfruttare un "orologio" naturale.

Questo cambiamento è particolarmente evidente nella neuromodulazione, e soprattutto nel trattamento dell'epilessia. Le crisi epilettiche non sono sempre eventi casuali; spesso presentano una struttura temporale. Studi clinici e computazionali hanno dimostrato che la probabilità di una crisi segue ritmi circadiani e plurigiornalieri, influenzati dallo stato di sonno e da stimoli ambientali. Eppure, la maggior parte delle terapie impiantabili continua a funzionare come se ogni istante fosse identico all'altro.

 

L'ingegnere del futuro non si limiterà a costruire macchine. Progetterà sistemi che vivano, in un senso significativo, all'interno dei ritmi della vita.

 

Questa lacuna viene esplorata utilizzando piattaforme ispirate alla fisiologia come Picostim-DyNeuMo, un sistema sperimentale prodotto nel Regno Unito da Amber Therapeutics. Picostim-DyNeuMo incorpora elementi di controllo sia reattivi che predittivi. È in grado di rispondere ai biomarcatori dell'attività convulsiva in tempo reale, regolando al contempo il suo comportamento di base in base all'ora del giorno ed allo stato fisiologico dedotto. In tal modo, va oltre il semplice controllo a circuito chiuso per approdare ad una regolazione "reostatica" di ispirazione cibernetica, rispecchiando il modo in cui i sistemi biologici modificano i loro punti di riferimento omeostatici nel corso della giornata.

Questo approccio è fondamentale per una sperimentazione clinica in corso nel Regno Unito sull'epilessia infantile intrattabile. Lo studio CADET esplora la stimolazione cerebrale profonda adattiva utilizzando strategie di controllo tempo-dipendenti. Nella neuromodulazione convenzionale, la stimolazione viene erogata in modalità "open loop" con uno schema fisso, oppure in modalità reattiva, attivata solo quando viene rilevata un'attività anomala (Nair et al., 2020). Sebbene efficace, questo modello presuppone che il rischio di crisi epilettiche sia uniforme nel tempo, basandosi fortemente su classificatori ed approcci di controllo che devono operare in presenza di stati fisiologici variabili. Al contrario, l'obiettivo di Picostim-DyNeuMo è quello di consentire una strategia di controllo a più livelli. Durante i periodi di alto rischio di crisi epilettiche, identificati attraverso profili circadiani specifici del paziente, il dispositivo può aumentare la stimolazione di base o abbassare le soglie di rilevamento, diventando più sensibile e proattivo. Durante i periodi a basso rischio, può ridurre l'intensità della stimolazione, conservando energia e minimizzando i potenziali effetti collaterali. Questa modulazione non è solo reattiva; è anticipatoria, basata sulla struttura temporale dei sintomi del paziente. Grazie alla capacità di passare da un profilo algoritmico all'altro, Picostim-DyNeuMo dovrebbe essere in grado di allineare con successo la terapia ai ritmi cerebrali.

È importante sottolineare che questi principi potrebbero non essere limitati al cervello od all'epilessia. Inaspettatamente, lo studio AURA sull'incontinenza urinaria dimostra come la stessa architettura Picostim-DyNeuMo possa essere estesa ai sistemi fisiologici periferici. Come dimostrato da Amber, la funzione vescicale, al pari dell'attività neurale, è fortemente modulata dai ritmi circadiani, con un'attività ridotta durante il sonno ed una maggiore richiesta durante le ore di veglia. La neuromodulazione convenzionale eroga una stimolazione continua, ignorando questa struttura. Al contrario, Amber sta sviluppando sistemi avanzati che integrano la programmazione circadiana, in grado di ridurre la stimolazione di base durante la notte, preservando al contempo la reattività agli eventi ed allineando la terapia alla fisiologia naturale.

Ciò riflette un cambiamento fondamentale nel modo in cui vengono concepiti i dispositivi. Dalla stimolazione cardiaca al controllo metabolico, molti processi fisiologici dipendono dal tempo. La cronoterapia, ovvero l'allineamento del trattamento con i tempi biologici, ha dimostrato di migliorare i risultati in diversi ambiti. Sebbene la sua implementazione sia complessa, la neuromodulazione sta ora entrando in questo settore, grazie a sensori integrati ed architetture di controllo programmabili.

Le implicazioni potrebbero estendersi ulteriormente. Nei modelli sperimentali, è stato dimostrato che la neuromodulazione dipendente dal tempo influenza l'architettura del sonno, modula la vigilanza ed altera le prestazioni cognitive del giorno successivo. Questi risultati suggeriscono che i dispositivi potrebbero non solo sopprimere la patologia, ma anche avere il potenziale per modellare attivamente i ritmi fisiologici al fine di ripristinare la funzionalità.

Per gli ingegneri, questo rappresenta al contempo un'opportunità ed una sfida. Progettare dispositivi che interagiscono con sistemi biologici dinamici richiede un controllo gerarchico, un rilevamento robusto ed un'autonomia attentamente definita. Richiede inoltre un cambiamento concettuale: passare dal trattare la variabilità come rumore al riconoscerla come segnale.

Con il miglioramento delle capacità di rilevamento e l'accumulo di dati longitudinali, i dispositivi diventeranno sempre più personalizzati, apprendendo i ritmi dei singoli pazienti ed adattandosi nel tempo. Nell'epilessia, ciò potrebbe significare prevedere le crisi con ore di anticipo. In altre patologie, potrebbe significare allineare la terapia allo stato comportamentale ed ai cicli sonno-veglia.

In questo senso, il futuro della tecnologia medica non è semplicemente digitale o connesso, ma fisiologico. Dispositivi futuri come il Picostim-DyNeuMo, ancora in fase di sperimentazione, rappresentano un primo passo verso sistemi che operano all'interno della logica stessa del corpo. Per un settore a lungo dominato da interventi statici, questo segna un profondo cambiamento. L'ingegnere del futuro non si limiterà a costruire macchine, ma progetterà sistemi che vivano, in un senso significativo, all'interno dei ritmi della vita.

ENGLISH

Prof Tim Denison, Royal Academy of Engineering Chair in Emerging Technologies and co-founder of Amber Therapeutics, explores how neuromodulation is impacting medicine 

In the coming decades, medical devices will begin to look less like “machines” and more like physiology. This is not a matter of form, but of function. Where traditional active medical implants have operated often as static tools, e.g. delivering fixed outputs in response to limited inputs, the next generation will adopt the defining characteristics of biological systems: adaptability, anticipation, and rhythmicity.

This transition has deep intellectual roots. The early cyberneticists, notably Norbert Wiener and W. Ross Ashby, argued that effective control requires an internal model of the system being regulated. Biology, refined through evolution, embodies this principle. It integrates feedback with prediction, adjusting behaviour not only in response to disturbances, but in anticipation of them. Evolving on a planet with a rhythmic period of approximately 24 hours, biology had a natural “clock” that it could exploit.

Nowhere is this shift more evident than in neuromodulation, and particularly in the treatment of epilepsy. Epileptic seizures are not always random events; they are structured often in time. Clinical and computational studies have shown that seizure likelihood follows circadian and multi-day rhythms, shaped by sleep state and environmental cues. Yet most implanted therapies still operate as if each moment were identical.

 

The engineer of the future will not just build machines. They will design systems that live, in a meaningful sense, within the rhythms of life.

 

This gap is being explored using physiologically inspired platforms such as the Picostim-DyNeuMo, an investigational system manufactured in the UK by Amber Therapeutics. Picostim-DyNeuMo incorporates both reactive and predictive control elements. It can respond to biomarkers of seizure activity in real time, while also adjusting its baseline behaviour according to time-of-day and inferred physiological state. In doing so, it moves beyond simple closed-loop control towards cybernetics-inspired “rheostatic” regulation—mirroring the way biological systems shift their homeostatic setpoints across the day.

This approach is central to an ongoing UK trial of intractable childhood epilepsy. The CADET trial explores adaptive deep brain stimulation using time-aware control strategies. In conventional neuromodulation, stimulation is either delivered “open loop” with a fixed pattern, or in responsive modes, triggered only when abnormal activity is detected (Nair et al., 2020). While effective, this model assumes that seizure risk is uniform across time, placing heavy reliance on classifiers and control approaches that must operate across shifting physiological states. By contrast, the goal of Picostim-DyNeuMo is to enable a layered control strategy. During periods of high seizure risk—identified through patient-specific circadian profiles—the device can increase baseline stimulation or lower detection thresholds, becoming more sensitive and proactive. During lower-risk periods, it can reduce stimulation intensity, conserving energy and minimising potential side effects. This modulation is not reactive alone; it is anticipatory, informed by the temporal structure of the patient’s symptoms. Capable of switching between distinct algorithmic profiles, Picostim-DyNeuMo should be able to successfully align therapy with the rhythms of the brain.

Importantly, these principles may not be confined to the brain or epilepsy.  Unexpectedly, the AURA trial in urinary incontinence illustrates how the same Picostim-DyNeuMo architecture can be extended to peripheral physiological systems. As demonstrated by Amber, bladder function, like neural activity, is strongly modulated by circadian rhythms, with reduced activity during sleep and increased demand during waking hours. Conventional neuromodulation delivers continuous stimulation, ignoring this structure. In contrast, Amber is developing advanced systems incorporating circadian scheduling that can reduce baseline stimulation overnight while preserving responsiveness to events, aligning therapy with natural physiology.

This reflects a fundamental shift in how devices are conceived. From cardiac pacing to metabolic control, many physiological processes are time-dependent. Chronotherapy - the alignment of treatment with biological timing - has demonstrated improved outcomes across domains. Although challenging to implement, neuromodulation is now entering this space, enabled by embedded sensing and programmable control architectures.

The implications might extend further. In experimental models, time-contingent neuromodulation has been shown to influence sleep architecture, modulate vigilance, and alter next-day cognitive performance. These findings suggest that devices may not only suppress pathology, but have the potential to actively shape physiological rhythms to restore function.

For engineers, this represents both opportunity and challenge. Designing devices that interact with dynamic biological systems requires hierarchical control, robust sensing, and carefully bounded autonomy. It also demands a conceptual shift - from treating variability as noise to recognising it as signal.

As sensing capabilities improve and longitudinal data accumulates, devices will become increasingly personalised, learning the rhythms of individual patients and adapting over time. In epilepsy, this may mean anticipating seizures hours in advance. In other conditions, it may mean aligning therapy with behavioural state and sleep–wake cycles.

In this sense, the future of medical technology is not merely digital or connected - it is physiological. Future devices like the investigational Picostim-DyNeuMo represent an early step towards systems that operate within the logic of the body itself. For a field long dominated by static interventions, this marks a profound shift. The engineer of the future will not just build machines. They will design systems that live, in a meaningful sense, within the rhythms of life.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/opinion/comment-professor-tim-denison-on-how-neuromodulation-technology-is-transforming-healthcare?rcip=giuseppecotellessa%40libero.it&utm_campaign=Daily%20Bulletin%20-170626%20-%20Wednesday&utm_content=&utm_term=https%3A%2F%2Fwww.theengineer.co.uk%2Fcontent%2Fopinion%2Fcomment-professor-tim-denison-on-how-neuromodulation-technology-is-transforming-healthcare&utm_medium=email&utm_source=The%20Engineer