Ponowne okablowanie mózgu

Para częściowo sparaliżowanych małp odzyskała zdolność poruszania nadgarstkami, gdy naukowcy podłączyli poszczególne neurony bezpośrednio do mięśni ramion małpy, jak wynika z badania opublikowanego w Internecie w Natura w środę.

Drgnąć: Sparaliżowane małpy odzyskały zdolność poruszania nadgarstkami, gdy ich układ nerwowy został zmieniony. Podłączając komórki mózgowe bezpośrednio do komórek mięśniowych za pomocą komputera, który tłumaczy aktywność mózgu na wstrząs elektryczny, naukowcy ominęli wadliwe połączenie, aby małpy mogły poruszać sparaliżowanymi wcześniej nadgarstkami, aby manipulować kursorem w polu ekranowym.

To podejście byłoby bardzo istotne dla pacjentów z uszkodzeniem rdzenia kręgowego, mówi Uniwersytet Północno-Zachodni neurobiolog Lee Miller , który nie był zaangażowany w pracę.

Naukowcy, kierowani przez Eberhard Fetz , profesor fizjologii i biofizyki na uniwersytet Waszyngtoński , tymczasowo sparaliżował ramię każdej małpy. Następnie przekierowali sygnały mózgowe wokół zablokowanej ścieżki nerwowej, prowadząc przewody z pojedynczego neuronu w korze ruchowej – obszarze mózgu odpowiedzialnym za ruch – przez komputer do mięśnia ramienia. Za każdym razem, gdy neuron wystrzelił powyżej określonej szybkości, komputer przetwarzał sygnał na wstrząs elektryczny do mięśnia ramienia, powodując jego skurcz.

Jako test ponownego okablowania, naukowcy kazali każdej małpce zagrać w prostą grę wideo. Poruszając nadgarstkiem małpa mogła manipulować kursorem na ekranie komputera. Przesunięcie kursora do pola z boku ekranu przyniosło małpie nagrodę. Mimo że zmieniona komórka mózgowa została wybrana losowo, małpy szybko nauczyły się poruszać sparaliżowanymi nadgarstkami.

Odkryliśmy, co niezwykłe, że prawie każdy testowany przez nas neuron w mózgu może być użyty do kontrolowania tego typu stymulacji, mówi Chet Moritz, starszy pracownik naukowy na Uniwersytecie Waszyngtońskim i współautor artykułu. Nawet neurony niezwiązane z ruchem nadgarstka przed blokadą nerwów można było opanować i dokooptować.

Normalnie ruch ręki – nawet skurcz pojedynczego mięśnia ramienia – nie wynikałby z pobudzenia pojedynczego neuronu, ale ze skoordynowanego działania wielu neuronów w korze ruchowej. Te neurony zainicjują sygnał elektryczny, który rozchodzi się w dół rdzenia kręgowego i przez nerwy obwodowe, aby wywołać ruchy ramion dostosowane do intencji małpy.

Inne grupy zarejestrowały te złożone wzorce odpalania neuronów i wykorzystały algorytmy komputerowe do przełożenia ich na działanie – na przykład przesuwanie kursora komputera. Zamiast tego grupa z University of Washington połączyła pojedynczy neuron z pojedynczym mięśniem. Nasze podejście polega na stworzeniu surowej łączności między pojedynczymi neuronami w mózgu a mięśniami lub grupami mięśni i umożliwienie małpie nauczenia się korzystania z tej łączności.

Korzystanie z pojedynczego neuronu ma swoje zalety, mówi Moritz. Przekształcenie szybkości strzelania jednej komórki na porażenie prądem to proste obliczenie, które można łatwo wykonać za pomocą urządzenia wielkości telefonu komórkowego. Przekształcenie jednoczesnych pomiarów w zestaw skoordynowanych ruchów mięśni wymaga znacznie większej mocy obliczeniowej.

Ale aby podejście z jednym neuronem było przydatne dla sparaliżowanego pacjenta, będzie musiało zostać z powodzeniem skalowane. Zaciśnięcie mięśnia jednej ręki daje niewielką praktyczną nagrodę; ruchy, takie jak sięganie i chwytanie, wymagają współdziałania wielu mięśni. Naukowcy podjęli już kroki w tym kierunku. Po pierwsze, wykazali, że pojedyncza komórka może działać na dwa różne mięśnie: wysoka szybkość wyzwalania wyzwalała zginanie nadgarstka, a niska szybkość wyzwalania powodowała rozciąganie. Następnie połączyli jednocześnie dwa przekierowane połączenia, z jednym neuronem podłączonym do mięśnia nadgarstka, a drugi do mięśnia zginającego nadgarstek.

Ale Andrzeja Schwartza , profesor neurobiologii na Uniwersytet w Pittsburghu , jest sceptyczny. Ruchome ramię, mówi Schwartz, to bardzo skomplikowany system mechaniczny. Każdy wyrafinowany ruch ramion wymaga nie tylko dużej liczby precyzyjnie skoordynowanych mięśni działających w kilku złożonych stawach, ale także rozchodzenia się sił wzdłuż kończyny. Jeśli twoim zamiarem jest wywołanie ruchu, musisz jakoś obliczyć wpływ wszystkich tych sił na ramię, mówi Schwartz. To nie tylko „Aktywuj mięsień, a ramię idzie tam, gdzie chcesz”. W grę wchodzi dużo matematyki.

Według grupy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego możliwe jest obejście pytania, jak generować skomplikowane ruchy, łącząc pojedynczą komórkę mózgową bezpośrednio z określonym obszarem rdzenia kręgowego . Stymulacja jednego miejsca w rdzeniu kręgowym często aktywuje od 10 do 15 różnych mięśni w precyzyjnej równowadze, mówi Moritz.

Poza wszelkimi teoretycznymi niedociągnięciami strategii pojedynczego neuronu, istnieje szereg przeszkód technologicznych do pokonania, zanim będzie można ją zastosować u pacjentów. Odczyty elektrod z pojedynczej komórki mózgowej mogą z czasem ulegać degradacji, potencjalnie niszcząc przekierowane połączenie. W rezultacie, mówi Moritz, każda długoterminowa konfiguracja wymagałaby pewnego stopnia redundancji.

Dodaje też, że idealnie byłoby, gdyby system był w pełni wszczepialny. Za każdym razem, gdy przewody przechodzą przez skórę, jak miało to miejsce w eksperymentach na małpach, stwarzają ryzyko infekcji i zakłóceń. Grupa planuje rozwiązać ten problem za pomocą zminiaturyzowanych komponentów i technologii bezprzewodowej.

Ponieważ ich podejście wymaga stosunkowo niewielkiej mocy obliczeniowej, mówi Moritz, uważamy, że możemy być o krok bliżej do energooszczędnych, w pełni wszczepialnych systemów.

ukryć