Dva bolnika s paralizo sta v hipu stopila in hodila po tekalni stezi. Ta impresiven podvig je omogočila nova operacija brez primere, v kateri so raziskovalci vsadili brezžične naprave v možgane bolnikov, ki so beležili njihovo možgansko aktivnost. Tehnologija je možganom omogočila, da komunicirajo z nogami - tako, da preidejo prekinjene poti hrbtenjače - tako da lahko bolnik ponovno osvoji nadzor.
Sorodne vsebine
- Kako lahko takiranje nevronskih mrež pomaga amputirancem brezhibno razbiti jajce
- V študiji UCLA pet paraliziranih moških znova premika noge
Izkazalo se je, da so bili ti bolniki opice. Toda ta majhen korak za opice bi lahko povzročil velik skok za milijone ohromelih ljudi: Ista oprema je že odobrena za uporabo pri ljudeh, v Švici pa potekajo klinične študije za testiranje terapevtske učinkovitosti metode stimulacije hrbtenjače pri ljudeh (minus možganski vsadek). Zdaj, ko imajo raziskovalci dokazilo, bi tovrstna brezžična nevrotehnologija lahko spremenila prihodnost okrevanja od paralize.
Namesto da bi poskušali popraviti poškodovane poti hrbtenjače, ki ponavadi oddajajo možganske signale do okončin, so znanstveniki poskusili z inovativnim pristopom proti povratni paralizi: v celoti zaobiti ozko grlo poškodbe. Vsadki so delovali kot most med možgani in nogami, usmerjali gibanje nog in spodbudili gibanje mišic v realnem času, pravi Tomislav Mileković, raziskovalec švicarske politotehnike École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Mileković in soavtorji poročajo o svojih ugotovitvah v novem članku, objavljenem v sredo v reviji Nature .
Ko možganska nevronska mreža obdela informacije, proizvaja značilne signale, ki so se jih znanstveniki naučili razlagati. Tisti, ki vozijo hojo pri primatih, izvirajo iz območja velikosti dimnika, znanega kot motorna skorja. Pri zdravem posamezniku signali potujejo po hrbtenjači v ledveni predel, kjer usmerjajo aktivacijo mišic nog, da omogočijo hojo.
Če travmatična poškodba prekine to povezavo, je subjekt ohromljen. Čeprav so možgani še vedno sposobni proizvajati ustrezne signale in živčne mreže, ki aktivirajo mišice, so nedotaknjene, ti signali nikoli ne dosežejo nog. Raziskovalcem je uspelo vzpostaviti povezavo s temeljito brezžično tehnologijo v realnem času - podvig brez primere.
Kako sistem deluje? Umetni vmesnik ekipe se začne z nizom skoraj 100 elektrod, ki so implantirane v možgansko skorjo možganov. Povezana je s snemalno napravo, ki meri trkanje električnih aktivnosti v možganih, ki nadzorujejo gibanje nog. Naprava pošlje te signale v računalnik, ki dekodira in prevede ta navodila v drugo množico elektrod, ki so implantirane v spodnjo hrbtenjačo, pod poškodbo. Ko druga skupina elektrod prejme navodila, aktivira ustrezne mišične skupine v nogah.
Za študijo sta obe opici macak Rhesus v laboratoriju dobili poškodbe hrbtenjače. Po operacijah so morali nekaj dni preživeti, da so si ogledali in čakali, da sistem zbere in umeri potrebne podatke o svojem stanju. Toda le šest dni po poškodbi je ena opica hodila po tekalni stezi. Drugi je bil na dan po poškodbi 16. in po hoji.
Uspeh možganskega vsadka prvič dokazuje, kako lahko nevrotehnologija in stimulacija hrbtenjače povrne sposobnost primata za hojo. "Sistem je takoj obnovil gibanje lokomotorjev, brez kakršnega koli usposabljanja ali ponovnega učenja, " je za Smithsonian.com povedal Mileković, ki je inženir, ki ga poganjajo podatkovni nevroprostetični sistemi.
"Prvič, ko smo vklopili vmesnik možganov in hrbtenice, je bil trenutek, ki ga ne bom nikoli pozabil, " je v izjavi dodal raziskovalec EPFL Marc Capogrosso.
Nov možganski vsadek brezžično pošilja signale mišičnim skupinam nog. (Ilustracija Jemere Ruby) Tehnika "krampanja" možganskih nevronskih mrež je prinesla izjemne podvige, na primer pomoč pri ustvarjanju protetike, občutljive na dotik, ki uporabnikom omogoča izvajanje občutljivih nalog, kot je pokanje jajčeca. Toda mnogi od teh naporov uporabljajo kabelske povezave med možgani in snemalnimi napravami, kar pomeni, da se preiskovanci ne morejo prosto gibati. "Nevronski nadzor gibanja rok in rok je bil podrobno raziskan, manj pozornosti pa smo namenili nevronskemu nadzoru gibanja nog, zaradi katerega so se živali morale prosto in naravno gibati, " pravi Milekovićeva.
Christian Ethier, nevroznanstvenik z Quebec's Université Laval, ki ni bil vključen v raziskavo, je delo označil za "pomemben korak naprej v razvoju nevroprotetičnih sistemov." Dodal je: "Verjamem, da bo ta demonstracija pospešila prevajanje invazivnih možganov - računalniški vmesniki za človeške aplikacije.
V priloženi oddaji News & Views v naravi se strinja nevroznanstvenik Andrew Jackson, ki poudarja, kako hitro se je napredek na tem področju od opic preselil k ljudem. Dokument iz leta 2008 je na primer pokazal, da lahko ohromljene opice nadzirajo robotsko roko samo z možgani; štiri leta pozneje je paralizirana ženska storila isto. V začetku letošnjega leta je možgansko nadzorovana mišična stimulacija omogočila kvadriplegični osebi, da je med drugimi praktičnimi rokami sprejela predmete, potem ko je bil isti opus dosežen pri opicah leta 2012.
Jackson iz te zgodovine sklepa, da "ni nerazumno špekulirati, da smo lahko prve klinične demonstracije vmesnikov med možgani in hrbtenjačo videli že konec desetletja."
Niz elektrode Blackrock, vgrajen v možgane opic, se že 12 let uporablja za uspešno beleženje možganske aktivnosti v kliničnih preskušanjih BrainGate; številne študije so pokazale, da lahko ta signal natančno nadzoruje zapletene nevroprotetične naprave. "Čeprav potrebuje operativni poseg, je matrika za velikost manjša od kirurško vsadljenih globinskih možganskih simulatorjev, ki jih že uporablja več kot 130.000 ljudi s Parkinsonovo boleznijo ali drugimi motnjami gibanja, " doda Mileković.
Medtem ko je bil ta test omejen na le nekaj faz možganske aktivnosti, povezane s hojo hoje, Ethier meni, da bi lahko v prihodnosti omogočil večji obseg gibanja. "S pomočjo istih možganskih vsadkov je mogoče veliko bolj podrobno dekodirati gibanje, podobno tistemu, kar smo storili za ponovno vzpostavitev funkcije oprijema. ... Pričakujem, da bo prihodnji razvoj presegel in bo morda vključeval tudi druge sposobnosti, kot je kompenzacija ovir in prilagoditev hitrosti hoje. "
Ethier opaža še eno zanimivo možnost: brezžični sistem lahko dejansko pomaga telesu, da se ozdravi. "S ponovno sinhronizacijo aktivnosti v možganskih in hrbteničnih motoričnih centrih bi lahko spodbujali tisto, kar imenujemo" nevroplastičnost, odvisna od aktivnosti ", in utrdili morebitne prihranjene povezave, ki možgane povezujejo z mišicami, " pravi. "To bi lahko imelo dolgoročne terapevtske učinke in spodbudilo naravno okrevanje funkcije, kar je mogoče od običajnih rehabilitacijskih terapij."
Ta pojav ni dobro razumljen, možnost pa na tem mestu ostaja špekulativna, poudarja. Toda oprijemljivi dosežek, ki ga kaže ta raziskava - pomagati paraliziranim sprehodom z možgani - je že velik korak.
