Przebudzenie sparaliżowanych kończyn

Małpa ze sparaliżowaną ręką nadal może chwycić piłkę dzięki nowatorskiemu systemowi, który tłumaczy sygnały mózgowe na złożone ruchy mięśni w czasie rzeczywistym. Badania prezentowane na Konferencja Society for Neuroscience w Chicago w tym tygodniu, może pewnego dnia pozwolić ludziom z urazem rdzenia kręgowego na kontrolowanie własnych kończyn.

Małpa myśli, małpa robi: Przekładając sygnały elektryczne z mózgu małpy na skurcze mięśni za pomocą wszczepionych elektrod, zwierzę ze sparaliżowaną ręką było w stanie chwycić piłkę.

To duży krok naprzód – pokazują, że małpa używa zdolności sztucznego zaciśnięcia ręki, aby podnieść piłkę, mówi Kryszna Szenoj , neurolog na Uniwersytecie Stanforda. Myślę, że to pierwsza demonstracja sterowanego korowo systemu elektrostymulacji wykonującego zadanie, które ostatecznie przydałoby się ludzkiemu pacjentowi.

Podczas gdy uraz rdzenia kręgowego uniemożliwia docieranie sygnałów elektrycznych z mózgu do mięśni, osoby sparaliżowane przez te urazy często mają nienaruszone nerwy i mięśnie w kończynach. Technika zwana funkcjonalną stymulacją elektryczną (FES), w której wszczepione elektrody dostarczają prąd elektryczny w celu wywołania skurczów mięśni, zapewnia sposób na ponowne połączenie tej pętli.

Urządzenia, które mogą przywrócić funkcję rąk i kontrolę pęcherza niektórym sparaliżowanym pacjentom, zostały już zatwierdzone przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków. Pacjenci wykorzystują resztkowe ruchy mięśni, aby świadomie kontrolować te systemy – system, który działa dobrze w niektórych zastosowaniach, ale ogranicza złożoność ruchu, który można wykonać. Na przykład urządzenie FES pozwala ludziom wzruszyć ramieniem, aby wywołać ruch chwytania ręką, ale nie mogą kontrolować, jak mocno chwytają.

Teraz, łącząc technologię FES z implantami mózgowymi, naukowcy próbują stworzyć bardziej intuicyjny system kontrolowania sparaliżowanych kończyn, tak aby myślenie o poruszaniu ramieniem lub chwytaniu ręką automatycznie przekładało się na wzorzec aktywności elektrycznej potrzebnej do wykonania tego. ruch. To znacznie bardziej naturalne, a jeśli potrafisz rozszyfrować aktywność w wystarczającej liczbie mięśni, możesz jednocześnie poruszać wieloma stawami, mówi Robert Kirsch , neurolog z Case Western Reserve University w Cleveland, OH. Normalny ruch ręki i ramienia obejmuje płynny ruch wielu stawów, a nie ograniczone ruchy możliwe obecnie.

Christian Ethier, badacz w dziedzinie neuronauk Lee Millera laboratorium na Northwestern University w Chicago zademonstrowało pierwsze kroki w kierunku tego rodzaju systemu u małp. Badacze podali każdej małpie miejscowe znieczulenie, aby tymczasowo zablokować funkcję nerwów zginaczy w jej ramieniu. Zwierzęta miały wszczepione w ramiona przewody, które dostarczały bodźce elektryczne do mięśni, podobnie jak nerwy, oraz szereg elektrod wszczepionych do mózgu, aby rejestrować aktywność elektryczną z kory ruchowej.

Małpy zostały najpierw wyszkolone, aby podnosić piłkę i wkładać ją do dziury, aby zdobyć nagrodę. Wykorzystując aktywność mózgu zarejestrowaną podczas tego zadania, naukowcy opracowali wyspecjalizowane algorytmy dekodowania, które w czasie rzeczywistym przekładałyby aktywność mózgu związaną z ruchem różnych mięśni na bodziec elektryczny dla każdego z pięciu mięśni zginaczy ramienia, umożliwiając małpie uchwycenie jego ręki . „Możemy przewidzieć, co małpa próbuje zrobić ze swoimi mięśniami i odpowiednio je stymulować, zasadniczo dając małpie dobrowolną kontrolę za pośrednictwem komputera zamiast nerwów”, mówi Miller.

Zwykle ze sparaliżowaną ręką zwierzęta miały trudności z wykonaniem zadania, trafiając piłkę do celu tylko w około 10 procentach czasu, w porównaniu do 100 procent przed blokadą nerwu. Włączenie kontrolowanego przez mózg systemu FES zwiększyło wskaźnik sukcesu sparaliżowanych zwierząt do 77 procent. Naukowcy wykazali również, że mogą nakłonić małpę do poruszania nadgarstkiem w różnych kierunkach – chcą teraz sprawdzić, czy mogą powtórzyć wyniki z mięśniami kontrolującymi sięganie.

Testy na ludziach mogą nie być daleko. Implanty korowe są już testowane na ludzkich pacjentach. Kirsch z Case Western zaprezentował na konferencji badania pokazujące, że sparaliżowany pacjent z implantem korowym może kontrolować zaawansowany komputerowy model ramienia. Kirsch i Miller nie mają jeszcze określonego harmonogramu, aby połączyć te dwa systemy – implant korowy i implant FES – u ludzi, ale Miller twierdzi, że byłoby to technicznie wykonalne w ciągu roku. Chcą jednak poczekać, aż naukowcy opracują bezprzewodową i w pełni wszczepialną wersję implantu korowego, który jest obecnie słabo rozwinięty na Brown University. Obecne implanty mają wystające druty, które zwiększają ryzyko infekcji i ograniczają mobilność pacjentów.

Wcześniejsze badania wykazały, że pacjenci z tymi implantami mogą kontrolować kursor komputera i wykonywać pewne ruchy ramieniem robota. Chociaż te badania są ekscytujące dla osób, których kończyny zostały amputowane, nowe badania mają zastosowanie do pacjentów z uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Wiele osób zdecydowanie wolałoby w jakiś sposób reanimować rękę, mówi Shenoy. To duży krok naprzód dla tej populacji pacjentów.

ukryć