Chip mózgowy do kontrolowania sparaliżowanych kończyn

Naukowcy budują teraz urządzenie, które rejestruje sygnały mózgowe i przekazuje je do sparaliżowanych mięśni, potencjalnie przywracając kontrolę nad mięśniami poważnie sparaliżowanym pacjentom. W systemie protetycznym, który jest jeszcze we wczesnej fazie rozwoju, chip mózgowy rejestruje sygnały neuronowe z części mózgu, która kontroluje ruch. Chip następnie przetwarza te sygnały, wysyłając precyzyjne komunikaty do przewodów wszczepionych w różne mięśnie ramienia lub dłoni pacjenta, co powoduje, że sparaliżowana kończyna chwyta szklankę lub drapie nos. Naszym ostatecznym celem jest, aby osoba myślała i bez wysiłku poruszała ramieniem , mówi Robert Kirsch , zastępca dyrektora Funkcjonalne Centrum Elektrostymulacji , w Louis Stokes Veterans Affairs Medical Center w Cleveland, OH.

Wszczepione urządzenie, które uruchamia określone mięśnie, pomaga sparaliżowanym pacjentom poruszać kończynami. Stymulator centralny jest podłączony do przewodów, które zostaną wszczepione w mięsień.

W urazach rdzenia kręgowego i niektórych rodzajach udarów i chorób neurodegeneracyjnych obwody nerwowe między mózgiem a ciałem ulegają uszkodzeniu, pozostawiając pacjentów z poważnymi problemami ruchowymi. Naukowcy poczynili już znaczne postępy w przezwyciężaniu tej blokady nerwowej, opracowując nowe sposoby stymulacji mięśni. W funkcjonalnej stymulacji elektrycznej (FES) prąd elektryczny jest przykładany do określonych nerwów lub mięśni w celu wywołania skurczów mięśni. Kiedy użytkownik wykonuje wcześniej wyznaczony ruch głową lub ramionami, wywołuje on stymulację pewnych mięśni, umożliwiając kończynę poruszanie się w określony sposób. Urządzenia, które mogą przywrócić funkcje rąk i kontrolę pęcherza u niektórych pacjentów z paraliżem, zostały już zatwierdzone przez FDA.

Multimedia

• POKAZ SLAJDÓW: Zobacz system

W systemie, w którym Kirsch i jego koledzy badają osoby z urazami rdzenia kręgowego na tyle poważnymi, że są sparaliżowane od szyi w dół, stymulator przypominający rozrusznik serca jest chirurgicznie wszczepiany w klatkę piersiową lub brzuch pacjenta, a przewody łączące wszczepia się do 12 różne mięśnie. Kolejny zestaw przewodów rejestruje aktywność mięśni, które są pod dobrowolną kontrolą pacjenta. Sygnały te są następnie wykorzystywane do wywołania aktywności w sparaliżowanych mięśniach.

Jednak niektórym pacjentom, zwłaszcza poważnie sparaliżowanym, kontrolującym kilka mięśni, używanie sygnałów rejestrowanych bezpośrednio z mózgu do kontrolowania sparaliżowanych kończyn może zapewnić łatwiejszy i bardziej intuicyjny sposób poruszania się. Więc naukowcy z Cleveland pracują z John Donoghue , neurolog z Brown University, który opracował wszczepialne chipy mózgowe, które rejestrują i przetwarzają aktywność elektryczną bezpośrednio z neuronów. Urządzenie wykonane przez Cyberkinetyka Neurotechnologia Systemy , w Foxborough, MA, składa się z maleńkiego chipa zawierającego 100 elektrod, które rejestrują sygnały z setek neuronów w korze ruchowej, części mózgu modulującej ruch. Algorytm komputerowy następnie tłumaczy ten złożony wzorzec aktywności na sygnał używany do sterowania komputerem lub protezą kończyny. Jak dotąd chip został przetestowany na trzech pacjentach – pierwszych osobach, które otrzymały tego typu implant. (Patrz Implanting Hope, marzec 2005; Chipy mózgowe dają sparaliżowanym pacjentom nowe moce; oraz Pilotowanie wózka inwalidzkiego siłą umysłu).

Eksperci wiążą duże nadzieje z nowym urządzeniem. Uważamy, że jest to jedyna obecnie realna technologia na horyzoncie, która zapewnia pacjentom wysoki poziom odbudowy urazu szyjki macicy i kontroli kończyn, mówi Józef Pancrazio , dyrektor programu badawczego z zakresu inżynierii neuronowej i neuroprotezy w National Institutes of Neurological Disorders and Stroke, jednej z agencji finansujących badania.

Projekt prawdopodobnie będzie złożony. Donoghue i jego koledzy muszą najpierw sprawić, by ich chip mózgowy był bezprzewodowy i w pełni wszczepialny. (Obecnie pacjenci mają sprzęt wystający z ich czaszki i są podłączeni do komputera przewodami.) Wszczepialny system minimalizuje ryzyko infekcji, a także może pomóc pacjentom w nauce korzystania z systemu. Eberhard Fetz , neurobiolog z University of Washington w Seattle, który opracowuje podobne systemy u małp, mówi, że wszczepialne urządzenie pozwoliłoby pacjentom korzystać z systemu 24 godziny na dobę, co pomogłoby im nauczyć się modulować sygnały neuronowe w celu precyzyjnej kontroli.

W pierwszym zestawie testów, które mają się rozpocząć w przyszłym miesiącu, pacjenci z wszczepionym chipem Cyberkinetyki będą próbowali poruszać wirtualnym ramieniem, co pozwoli naukowcom zbadać, jaki poziom kontroli mogliby osiągnąć, i zidentyfikować mięśnie, które należy stymulować wywoływać przydatne ruchy. Gdy naukowcy zbudują wszczepialny chip i wykażą, że pacjenci mogą w wystarczającym stopniu kontrolować wirtualne ramię, zespół rozpocznie integrację chipa z systemem FES.

W dłuższej perspektywie naukowcy prawdopodobnie będą musieli łączyć wiele urządzeń. Aby w pełni wykorzystać potencjał tych systemów, musimy myśleć nie tylko o pojedynczym systemie FES dla kończyn górnych, mówi Pancrazio. Musimy pomyśleć o sieci systemów. Osoba może potrzebować systemów wentylacji, kontroli pęcherza i kontroli jelit.

ukryć