Tutkijat ovat käyttäneet langatonta "aivojen selkärangan rajapintaa" selkäydinvamman ohittamiseksi rhesusmakakoiden parissa, palauttamalla tahallisen kävelyliikkeen väliaikaisesti halvaantuneeseen jalkaan.
Tutkijat sanovat, että tämä on ensimmäinen kerta, kun hermoston proteesia on käytetty palauttamaan kävelyliikkeet suoraan ihmisen kädellisten käsiin.
”Järjestelmämme, jota olemme kehittäneet, käyttää aivojen moottorikuoresta tallennettuja signaaleja, jotka käynnistävät koordinaation hermojen sähköisen stimuloinnin selkäydinnässä, jotka ovat vastuussa liikkuvuudesta”, sanoo David Borton, Brownin yliopiston insinööri-apulaisprofessori ja johtava tekijä tutkimuksesta. "Kun järjestelmä on kytketty päälle, tutkimuksemme eläimillä oli lähes normaali liikkuminen."
Työ voisi auttaa kehittämään samanlaista järjestelmää, joka on suunniteltu selkäytimen vammoja sairastaville ihmisille.
Luo viestintä uudelleen
”On näyttöä siitä, että aivohalvauksen omaava selkärangan stimulaatiojärjestelmä voi parantaa kuntoutusta selkäydinvamman jälkeen”, Borton sanoo. "Tämä on askel kohti tätä mahdollisuutta."
Yhteistyötä johtanut Ecole Polytechnique Federale Lausannen (EPFL) professori Grégoire Courtine on aloittanut Sveitsissä kliiniset tutkimukset rajapinnan selkärangan testaamiseksi. Hän varoittaa: ”Tulevaisuudessa on monia haasteita, ja saattaa kestää useita vuosia, ennen kuin kaikki tämän toimenpiteen osat voidaan testata ihmisissä.”
Kävely on mahdollista aivojen ja selkäytimen neuronien monimutkaisen vuorovaikutuksen vuoksi. Aivojen motorisesta aivokuoresta peräisin olevat sähköiset signaalit kulkevat alaselän alaosan selkäytimen lannerangalle, jossa ne aktivoivat motorisia hermosoluja, jotka koordinoivat jalan pidentämisestä ja taipumisesta vastaavien lihasten liikettä.
Ylemmän selkärangan vahingoittuminen voi katkaista aivojen ja alemman selkäydin välisen yhteyden. Sekä moottorikuoret että selkärangan neuronit voivat olla täysin toimivia, mutta ne eivät pysty koordinoimaan aktiivisuuttaan. Tutkimuksen tavoitteena oli palauttaa osa tästä viestinnästä.
Aivojen selkärangan käyttöliittymässä käytetään aivoon istutettua pilleri-kokoista elektrodiryhmää signaalien tallentamiseksi moottorikuoresta. Anturiteknologia kehitettiin osittain tutkimustarkoituksiin ihmisissä BrainGate-yhteistyön avulla, tutkimusryhmä, johon kuuluvat Brown, Case Western Reserve University, Massachusetts General Hospital, Providence VA Medical Center ja Stanfordin yliopisto.
Teknologiaa käytetään käynnissä olevissa kokeellisissa kliinisissä tutkimuksissa, ja sitä käytettiin aiemmin a opiskella Brown Neuroengineer Leigh Hochbergin johdolla, jossa tetraplegiaa sairastavat ihmiset pystyivät käyttämään robottivartta yksinkertaisesti ajattelemalla omaa kättään.
Brownin professori Arto Nurmikon neuroengineering-laboratoriossa kehitetty langaton neurosensori lähettää Bortonia sisältävän ryhmän lähettämän aivosirun keräämät signaalit langattomasti tietokoneeseen, joka dekoodaa ne ja lähettää ne langattomasti takaisin selkärangan stimulaattoriin, joka on istutettu lannerangaan. selkäranka, loukkaantumisalueen alapuolella. Tämä sähköinen stimulaatio, joka on annettu dekoodattujen aivojen koordinoimissa kuvioissa, signaali selkärangan hermoille, jotka ohjaavat liikkumista.
Aivosignaalien dekoodauksen kalibroimiseksi tutkijat istuttivat aivosensorin ja langattoman lähettimen terveisiin makakkoihin. Anturin lähettämät signaalit voidaan sitten kartoittaa eläinten jalkaliikkeisiin. He osoittivat, että dekooderi pystyi ennustamaan tarkasti aivotiloja, jotka liittyivät jalkojen lihasten laajenemiseen ja taipumiseen.
Langaton yhteys on ratkaisevan tärkeää
Kyky lähettää aivosignaaleja langattomasti oli kriittinen tässä työssä, Borton sanoo. Langalliset aivotunnistusjärjestelmät rajoittavat liikkumisvapautta, mikä puolestaan rajoittaa tiedon tutkijoiden kykyä kerätä liikkumista.
”Tämän tekeminen langattomasti mahdollistaa meille hermoston toiminnan kartoittamisen normaaleissa olosuhteissa ja luonnollisen käyttäytymisen aikana”, Borton sanoo. ”Jos todella pyrimme neuroproteettisiin, joita voidaan jonain päivänä käyttää ihmisen potilaiden auttamiseen jokapäiväisessä elämässä, tällaiset kiinnittämättömät tallennustekniikat ovat kriittisiä.”
Nykyinen julkaisu, joka on julkaistu luontoTutkijat yhdistivät ymmärryksensä siitä, miten aivosignaalit vaikuttavat liikkumiseen selkärangan karttoihin, jonka on kehittänyt Courtinen laboratorio EPFL: ssä ja joka tunnisti liikkeenohjauksesta vastaavan selkärangan hermopisteet. Se antoi tiimille mahdollisuuden tunnistaa neuraalipiirit, joita selkärangan implantin tulisi stimuloida.
Kun nämä kappaleet olivat paikallaan, tutkijat testasivat koko järjestelmää kahdella makakilla, joissa oli leesioita, jotka ulottivat puolet selkäytimestä rintakehän selkärankaansa. Macaques, jolla on tällainen vamma, palauttaa yleensä vaikutusalueen jalan funktionaalisen hallinnan kuukauden ajan tai niin, tutkijat sanovat. Joukkue testasi järjestelmäänsä viikkoina loukkaantumisen jälkeen, kun vielä ei ollut tahdonvalvontaa kärsineen jalkaan.
Tulokset osoittavat, että kun järjestelmä on päällä, eläimet alkoivat spontaanisti siirtää jalkansa kävelemällä juoksumatolla. Kinemaattiset vertailut terveillä kontrolleilla osoittivat, että vaurioituneet makakit, aivojen ohjaaman stimulaation avulla, pystyivät tuottamaan lähes normaaleja liikkumiskuvioita.
Osoittaessaan, että järjestelmä toimii ei-inhimillisessä kädellisessä on tärkeä askel, tutkijat korostivat, että on tehtävä paljon enemmän työtä järjestelmän testaamiseksi ihmisissä. He muistuttivat myös tutkimuksessa useista rajoituksista.
Esimerkiksi, kun tässä tutkimuksessa käytetty järjestelmä välitti onnistuneesti signaaleja aivoista selkärankaan, sillä ei ole kykyä palauttaa aistitietoa aivoihin. Tiimi ei myöskään voinut testata, kuinka paljon paineita eläimet pystyivät soveltamaan kärsineeseen jalkaan. Vaikka oli selvää, että raajat olivat painossa, tästä työstä ei ollut selvää, kuinka paljon.
”Täydellisessä translaatiotutkimuksessa haluaisimme tehdä enemmän määrällistä selvitystä siitä, kuinka tasapainoinen eläin on kävelyn aikana ja mittaa voimat, joita he voivat soveltaa”, Borton sanoo.
Rajoituksista huolimatta tutkimus asettaa vaiheita kädellisissä tulevissa tutkimuksissa ja jossain vaiheessa potentiaalisesti kuntoutusapuna ihmisille.
”Neurotieteessä on sanonta, että piirit, jotka palavat yhteen johtoa yhdessä”, Borton sanoo. ”Ajatuksena on, että yhdistämällä aivot ja selkäydin yhdessä, voimme parantaa piirien kasvua kuntoutuksen aikana. Tämä on yksi tämän työn tärkeimmistä tavoitteista ja tämän alan tavoite yleensä. "
Rahoitus tuli Euroopan yhteisön seitsemännestä puiteohjelmasta, kansainväliseltä paraplegian tutkimuksen säätiöltä, Euroopan tutkimusneuvoston perustamisapuraha, Geneven Wyss-keskus Marie Curie -apuraha, Marie Curie COFUND EPFL -apurahat, Medtronic Morton Cure Paralysis Fund -apuraha, NanoTera.ch Ohjelma, Robotiikan tutkimuksen kansallinen osaamiskeskus Sinergia-ohjelma, Kiinan ja Sveitsin tiede- ja teknologiayhteistyö ja Sveitsin kansallinen tiedesäätiö.
Lähde: Brown University
{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}
Liittyvät kirjat:
at InnerSelf Market ja Amazon
