Chipy mózgowe dają sparaliżowanym pacjentom nowe moce

Neuronaukowcy marzą o stworzeniu protez neuronowych, które pozwoliłyby sparaliżowanym pacjentom odzyskać kontrolę nad rękami i nogami. Chociaż ten cel jest wciąż odległy, naukowcy z Brown University i Massachusetts General Hospital donoszą o obiecującym kroku naprzód.

Matthew Nagle, 25-letni mężczyzna, który został sparaliżowany po zranieniu nożem w 2001 roku, był pierwszą osobą, która przetestowała chirurgicznie wszczepioną matrycę elektrod. (Źródło: Joshua Paul.)

W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Natura w tym tygodniu naukowcy opisują, jak dwoje sparaliżowanych pacjentów z chirurgicznie wszczepionym urządzeniem nerwowym z powodzeniem kontrolowało komputer i, w jednym przypadku, ramię robota – używając tylko swoich umysłów.

[Kliknij tutaj, aby zobaczyć filmy pacjenta sterowanie kursorem komputera i proteza ręki .]

Po raz pierwszy takie wyniki osiągnięto dzięki implantom neuronowym u ludzi. Naukowcy dopracowują teraz system eksperymentalny do postaci produktu komercyjnego, który mógłby pomóc pacjentom w ich codziennym życiu. Planują uczynić urządzenie bezprzewodowe i w pełni wszczepialne oraz poprawić szybkość i złożoność ruchów, które mogą wykonywać pacjenci korzystający z implantu.

To przełomowe badanie, ponieważ pokazuje, że nawet lata po urazie nadal można rejestrować przydatne sygnały z mózgu i wykorzystywać je do napędzania urządzenia, mówi Józef Pancrazio , dyrektor programowy badań nad inżynierią neuronową w National Institutes for Neurological Disorders and Stroke w Bethesda, MD. Ta grupa naprawdę przesunęła granice.

Podczas urazów rdzenia kręgowego i niektórych rodzajów udarów dochodzi do zakłócenia systemu przekazywania informacji między mózgiem a mięśniami. Urządzenia neuronowe, takie jak ten użyty w badaniu, mają na celu rejestrowanie i przetwarzanie istniejących sygnałów i wykorzystanie ich do sterowania kursorem komputera, ramieniem robota, a nawet sparaliżowaną kończyną. Naukowcy z Brown/MGH po raz pierwszy wszczepili człowiekowi chip mózgowy w czerwcu 2004 roku. I chociaż od tego czasu pojawiły się oznaki sukcesu, Natura Artykuł jest pierwszą recenzowaną publikacją opisującą szczegółowo, co sparaliżowani pacjenci mogą zrobić z implantem. ( Przegląd technologii opisał pracę Donoghue z Nagle w zeszłym roku, w Implanting Hope, marzec 2005.)

Interfejs mózg-komputer wykorzystany w badaniu, stworzony przez Cyberkinetyka Neurotechnology Systems w Foxborough, MA, składa się z maleńkiego chipa krzemowego zawierającego 100 elektrod, które rejestrują sygnały z setek neuronów w korze ruchowej. Algorytm komputerowy następnie tłumaczy ten złożony wzorzec aktywności na sygnał używany do sterowania urządzeniem zewnętrznym.

Pierwszy pacjent, któremu wszczepiono urządzenie, 25-letni mężczyzna, który został sparaliżowany po zranieniu nożem w 2001 roku, z powodzeniem nauczył się kontrolować kursor komputera, sprawnie poruszać się po programie pocztowym i używać komputera do włączania telewizora i zmień kanał. Kiedy urządzenie zostało podłączone do robotycznej ręki, szybko nauczył się kontrolować rękę, podnosić i wrzucać cukierek do ręki technika. To było ekscytujące, ponieważ wychwycił to bardzo szybko – około dziesięciu minut, mówi John Donoghue , starszy naukowiec w projekcie, założyciel Cyberkinetyki i neurobiolog z Brown University w Providence, RI. (Kliknij tutaj, aby zobaczyć wideo pacjenta kontrolującego kursor komputera i protezę ręki.)

Dwóch innych pacjentów biorących udział w badaniu, obaj z różnymi rodzajami obrażeń, również nauczyło się manipulować programem komputerowym, chociaż jeszcze nie wypróbowali ramienia robota. Wyniki pokazują, że korzystanie z tych urządzeń w warunkach rzeczywistych jest wykonalne, ale przed codziennym użytkowaniem czeka nas długa droga, mówi Donohue.

Neuronaukowcy od kilku lat stosują podobne urządzenia u małp i innych zwierząt, ale próba Donohue jest pierwszą, w której testowano chirurgicznie wszczepione układy elektrod u ludzi. To duży krok, aby wprowadzić tę technologię do ludzi, mówi Stephen Scott , neurolog z Queen's University w Kingston w Ontario, który napisał komentarz do artykułu. Jak na pierwszą próbę było to całkiem udane – pacjenci wykazali się imponującymi możliwościami.

Chociaż wyniki są obiecujące, eksperci ostrzegają, że technologia jest na wczesnym etapie. To wciąż jest dalekie od bycia użytecznym urządzeniem, które faktycznie poprawia jakość życia tego pacjenta, mówi Andrzeja Schwartza , neurolog z Uniwersytetu w Pittsburgu, który bada podobne urządzenia u zwierząt. Ta sama technologia działa lepiej u małp, co sugeruje, że należy wykonać więcej pracy przy projektowaniu elektrod rejestrujących i filtrów oprogramowania, mówi.

Obecnie dostępne urządzenia wspomagające dla sparaliżowanych pacjentów, takie jak programy komputerowe uruchamiane głosem lub ruchami gałek ocznych, do wykonania polecenia opierają się na sygnale wtórnym i wymagają zarówno okresu szkolenia, jak i wysokiego poziomu koncentracji. Wszczepione urządzenie może pomóc pacjentom w znacznie bardziej naturalny sposób. Wykorzystuje wszystkie informacje, których mózg używa do poruszania [mięśniami], mówi Donoghue. Ponieważ naśladuje normalny system przetwarzania w mózgu, pacjenci mogą kontrolować kursor i jednocześnie mówić.

Donoghue i współpracownicy dostosowują teraz system eksperymentalny do urządzenia o szerszym zastosowaniu. Obecny system posiada przewody łączące implant z zewnętrznym komputerem przez czaszkę, co niesie ryzyko infekcji. Naukowcy planują miniaturyzację sprzętu i uczynienie go bezprzewodowym, aby można było wszczepić cały system.

Zespół opracowuje również nowe oprogramowanie analityczne, które, jak mają nadzieję, umożliwi bardziej wyrafinowane rodzaje ruchu. Obecnie pacjenci mogą poruszać się po programie pocztowym lub wykonywać prymitywne ruchy za pomocą ramienia robota; ale nie mogą wykonywać bardziej złożonych zadań, takich jak używanie ramienia robota do pisania na klawiaturze lub zjedzenia miski zupy.

Aby wykonać tak skomplikowane ruchy, naukowcy muszą najpierw stworzyć lepszy dekoder, algorytm, który interpretuje sygnały neuronowe mózgu. Kiedy mózg przygotowuje się do poruszenia, powiedzmy, ręką od lewej do prawej, miliony neuronów w korze ruchowej mózgu uruchamiają się w określony sposób. Naukowcy generują dekoder, prosząc pacjentów, aby wyobrazili sobie poruszanie ręką po okręgu, co uruchamia neurony, tak jakby poruszała się sparaliżowana kończyna. Następnie program komputerowy rejestruje i przetwarza te informacje, ostatecznie tworząc filtr, który przekłada późniejszą aktywność neuronów na pożądane działania.

Ale filtr wciąż ma znacznie bardziej ograniczoną zdolność do tłumaczenia informacji niż mózg. Wykorzystuje dane z setek neuronów, a nie z milionów, i zbiera informacje z pojedynczej części mózgu. Donohue i współpracownicy opracowują teraz różne rodzaje algorytmów, aby sprawdzić, które są najbardziej elastyczne i jak najlepiej wykorzystać dostępne sygnały neuronowe.

Możemy przetestować różne algorytmy, a pacjenci mogą nam powiedzieć, które są najłatwiejsze lub najbardziej naturalne, mówi Leigh Hochberg, neurolog z Massachusetts General Hospital i główny autor badania. Podejrzewam, że jeśli będziemy mogli nadal ulepszać dekodowanie tylko na małym obszarze i być może nagrywać z wielu obszarów mózgu, moglibyśmy jeszcze bardziej ulepszyć różnorodność systemów kontroli dostępnych dla ludzi.

Inni naukowcy również opracowują sposoby na znacznie szybsze interfejsy mózgowe. Dla pacjenta może to oznaczać różnicę między trudem napisania e-maila a jego napisaniem przy niewielkim wysiłku. Praca z naczelnymi, Kryszna Szenoj i koledzy z Uniwersytetu Stanforda w Stanford w Kalifornii byli w stanie czterokrotnie zwiększyć szybkość przesyłania informacji przy użyciu podobnego implantu, ale nagrywającego z innej części mózgu. Dla człowieka oznaczałoby to pisanie 15 słów na minutę zamiast zaledwie czterech.

Donoghue ostatecznie planuje dostosować swój system, aby dokonać jeszcze większego wyczynu. Zespół współpracuje z naukowcami z Case Western Reserve University w Cleveland w stanie Ohio, aby stworzyć urządzenie, które wykorzystuje sygnały z mózgu do elektrycznej stymulacji sparaliżowanego mięśnia, potencjalnie umożliwiając pacjentom poruszanie kończynami.

Nic dziwnego, że ludzie chcą tego najbardziej. Kiedy Donoghue zapytał pacjenta, czy woli wykonywać wyrafinowane ruchy protezą ręki, czy prymitywne ruchy własną ręką, wybrał to drugie. Pomysł ożywienia własnego ciała był o wiele ważniejszy niż to, jak wyrafinowany może być ruch, mówi Donoghue.

ukryć