De to lammepatienter var ude og gik på løbebånd på kort tid. Denne imponerende bedrift blev muliggjort af en ny hidtil uset operation, hvor forskere implanterede trådløse enheder i patienternes hjerner, der registrerede deres hjerneaktivitet. Teknologien gjorde det muligt for hjernen at kommunikere med benene - ved at omgå de ødelagte rygmarvsveje - så patienten igen kunne genvinde kontrol.
Relateret indhold
- Hvordan hacking af neurale netværk kan hjælpe amputerede fejlagtigt med at knække et æg
- Fem lammede mænd flytter deres ben igen i en UCLA-undersøgelse
Disse patienter, det viser sig, var aber. Men dette lille skridt for aber kunne føre til et kæmpespring for millioner af lammede mennesker: Det samme udstyr er allerede godkendt til brug hos mennesker, og kliniske undersøgelser er i gang i Schweiz for at teste den terapeutiske effektivitet af rygmarvsstimuleringsmetoden hos mennesker (minus hjerneimplantatet). Nu hvor forskere har et bevis-of-concept, kunne denne form for trådløs neuroteknologi ændre fremtiden for lammelse af lammelse.
I stedet for at forsøge at reparere de beskadigede rygmarvsveje, der normalt leverer hjernesignaler til lemmerne, forsøgte videnskabsmænd en innovativ tilgang til at vende lammelse: Omgåelse af skaderens flaskehals helt. Implantatet fungerede som en bro mellem hjernen og benene, styrede benbevægelse og stimulerede muskelbevægelse i realtid, siger Tomislav Milekovic, forsker ved Schweiz École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Milekovic og medforfattere rapporterer deres konklusioner i en ny artikel offentliggjort onsdag i tidsskriftet Nature .
Når hjernens neurale netværk behandler information, producerer den markante signaler - som forskere har lært at fortolke. De, der driver vandring i primater, har deres oprindelse i den mellemstore region kendt som motorisk cortex. Hos et sundt individ kører signalerne ned gennem rygmarven til lændeområdet, hvor de styrer aktiveringen af benmuskler for at muliggøre gang.
Hvis en traumatisk skade adskiller denne forbindelse, er et motiv lammet. Selvom hjernen stadig er i stand til at producere de rigtige signaler, og benets muskelaktiverende neurale netværk er intakte, når disse signaler aldrig benene. Forskerne formåede at genoprette forbindelsen grundig realtid, trådløs teknologi - en hidtil uset bedrift.
Hvordan fungerer systemet? Holdets kunstige interface begynder med en række næsten 100 elektroder implanteret i hjernens motoriske cortex. Det er forbundet til en optagerenhed, der måler piggen ved elektriske aktiviteter i hjernen, der kontrollerer benbevægelser. Enheden sender disse signaler til en computer, der afkoder og oversætter disse instruktioner til en anden række elektroder, der er implanteret i den nederste rygmarv, under skaden. Når den anden gruppe af elektroder modtager instruktionerne, aktiveres den passende muskelgrupper i benene.
Til undersøgelsen fik de to Rhesus-makak-aber rygmarvsskader i laboratoriet. Efter deres operationer måtte de bruge et par dage på at komme sig og vente på, at systemet skulle indsamle og kalibrere nødvendige data om deres tilstand. Men kun seks dage efter kvæstelsen gik den ene abe på løbebåndet. Den anden var oppe og gik på dagen efter skaden 16.
Succesen med hjerneimplantatet viser for første gang, hvordan neuroteknologi og rygmarvsstimulering kan gendanne en primats evne til at gå. ”Systemet gendannede lokomotoriske bevægelser øjeblikkeligt uden nogen træning eller omlæring, ” fortalte Milekovic, der er ingeniør af datadrevne neuroprotetiske systemer, til Smithsonian.com.
”Første gang vi tændte for hjerne-ryggrænsefladen var et øjeblik, som jeg aldrig vil glemme, ” tilføjede EPFL-forsker Marc Capogrosso i en erklæring.
Et nyt hjerneimplantat sender trådløst signaler til benenes muskelgrupper. (Illustration af Jemere Ruby) Teknikken med at "hacking" af hjernens neurale netværk har frembragt bemærkelsesværdige feats, såsom at hjælpe med at skabe berøringsfølsom protese, der giver brugerne mulighed for at udføre delikate opgaver som at knække et æg. Men mange af disse anstrengelser bruger kabelforbindelser mellem hjernen og optageapparater, hvilket betyder, at motiverne ikke er i stand til at bevæge sig frit. ”Neural kontrol med hånd- og armbevægelser blev undersøgt i detaljer, mens der er blevet fokuseret mindre på neuronal kontrol af benbevægelser, hvilket krævede, at dyr bevægede sig frit og naturligt, ” siger Milekovic.
Christian Ethier, en neurovidenskabsmand ved Quebecs Université Laval, som ikke var involveret i forskningen, kaldte arbejdet et "stort skridt fremad i udviklingen af neuroprotetiske systemer." Han tilføjede: "Jeg tror, at denne demonstration vil fremskynde oversættelsen af invasiv hjerne -computere grænseflader mod menneskelige applikationer.
I et ledsagende stykke News & Views i Nature er neurovidenskabsmand Andrew Jackson enig i og påpeger, hvor hurtigt fremskridt på dette felt er flyttet fra aber til mennesker. Et papir fra 2008 viste for eksempel, at lammede aber kunne kontrollere en robotarm med bare deres hjerne; fire år senere gjorde en lammet kvinde det samme. Tidligere i år gjorde hjernekontrolleret muskelstimulering en quadriplegic person i stand til at gribe genstande, blandt andre praktiske håndfærdigheder, efter at den samme bedrift blev opnået i aber i 2012.
Jackson konkluderer fra denne historie, at "det er ikke urimeligt at spekulere i, at vi kunne se de første kliniske demonstrationer af grænseflader mellem hjernen og rygmarven i slutningen af tiåret."
Blackrock-elektrode-arrayet implanteret i abernes hjerner er blevet brugt i 12 år til med succes at registrere hjerneaktivitet i de kliniske forsøg med BrainGate; adskillige undersøgelser har vist, at dette signal nøjagtigt kan kontrollere komplekse neuroprotetiske enheder. ”Selvom det kræver kirurgi, er matrixen en størrelsesorden mindre end de kirurgisk implanterede dybe hjernesimulatorer, der allerede er brugt af mere end 130.000 mennesker med Parkinsons sygdom eller andre bevægelsesforstyrrelser, ” tilføjer Milekovic.
Mens denne test var begrænset til kun et par faser af hjerneaktivitet relateret til gangarter, antyder Ethier, at den potentielt kunne muliggøre et større bevægelsesområde i fremtiden. ”Ved hjælp af disse samme hjerneimplantater er det muligt at afkode bevægelsesintentionen meget mere detaljeret, ligner det, vi har gjort for at gendanne forståelsesfunktionen. ... Jeg forventer, at den fremtidige udvikling går ud over og måske inkluderer andre evner som at kompensere for forhindringer og justere ganghastigheden. ”
Ethier bemærker en anden spændende mulighed: Det trådløse system kan faktisk hjælpe kroppen med at helbrede sig selv. "Ved at synkronisere aktiviteten i hjernen og spinale motorcentre kunne de fremme det, der kaldes 'aktivitetsafhængig neuroplasticitet', og konsolidere eventuelle skånsomme forbindelser, der forbinder hjernen med musklerne, " siger han. ”Dette kan have langsigtede terapeutiske virkninger og fremme den naturlige genopretning af funktion ud over, hvad der er muligt med konventionelle rehabiliteringsterapier.”
Dette fænomen er ikke godt forstået, og muligheden forbliver spekulativ på dette tidspunkt, understreger han. Men den konkrete præstation, som denne forskning viser - at hjælpe de lammede gå igen med deres hjerner - er allerede et stort skridt.
