Un implant cerebral care permite mașinilor paralizate să meargă

Oamenii de știință au folosit o „interfață creier-spinală” fără fir pentru a ocoli leziunile măduvei spinării într-o pereche de macaci rhesus, restabilind mișcarea intenționată de mers pe jos la un picior paralizat temporar.

Cercetătorii spun că aceasta este prima dată când o proteză neuronală este folosită pentru a restabili mișcarea de mers direct pe picioarele primatelor neumane.

„Sistemul pe care l-am dezvoltat folosește semnale înregistrate de la cortexul motor al creierului pentru a declanșa stimularea electrică coordonată a nervilor din coloana vertebrală care sunt responsabili de locomoție”, spune David Borton, profesor asistent de inginerie la Universitatea Brown și co-autor principal a studiului. „Cu sistemul pornit, animalele din studiul nostru au avut locomoție aproape normală”.

Lucrarea ar putea ajuta la dezvoltarea unui sistem similar conceput pentru oamenii care au avut leziuni ale măduvei spinării.

Restabiliți comunicarea

„Există dovezi care sugerează că un sistem de stimulare a coloanei vertebrale controlat de creier poate îmbunătăți reabilitarea după o leziune a măduvei spinării”, spune Borton. „Acesta este un pas către testarea în continuare a acestei posibilități.”

Grégoire Courtine, profesor la Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL), care a condus colaborarea, a început studii clinice în Elveția pentru a testa partea coloanei vertebrale a interfeței. El avertizează: „Există multe provocări și poate dura câțiva ani până când toate componentele acestei intervenții pot fi testate la oameni.”


innerself abonare grafică


Mersul este posibil datorită unei interacțiuni complexe între neuronii din creier și măduva spinării. Semnalele electrice originare din cortexul motor al creierului se deplasează în jos către regiunea lombară din măduva spinării inferioară, unde activează neuronii motori care coordonează mișcarea mușchilor responsabili de extinderea și flexia piciorului.

Leziunile coloanei vertebrale superioare pot întrerupe comunicarea dintre creier și măduva spinării inferioară. Atât cortexul motor, cât și neuronii spinali pot fi pe deplin funcționali, dar sunt incapabili să își coordoneze activitatea. Scopul studiului a fost să restabilească o parte din acea comunicare.

Interfața creier-coloana vertebrală folosește un set de electrodi de dimensiune pilulă implantat în creier pentru a înregistra semnale de la cortexul motor. Tehnologia senzorilor a fost dezvoltată parțial pentru utilizarea investigațională la om prin colaborarea BrainGate, o echipă de cercetare care include Brown, Case Western Reserve University, Massachusetts General Hospital, Providence VA Medical Center și Stanford University.

Tehnologia este utilizată în studiile clinice pilot în curs de desfășurare și a fost utilizată anterior într-un studiu condus de Leigh Hochberg, neuroinginerul Brown, în care persoanele cu tetraplegie au reușit să acționeze un braț robotizat doar prin gândirea la mișcarea propriei mâini.

Un neurosenzor wireless, dezvoltat în laboratorul de neuroinginerie al profesorului Brown Arto Nurmikko de către o echipă care a inclus Borton, trimite semnalele adunate de cipul cerebral fără fir către un computer care le decodează și le trimite fără fir înapoi la un stimulator electric spinal implantat în lombară coloanei vertebrale, sub zona leziunii. Această stimulare electrică, livrată în modele coordonate de creierul decodificat, semnalează nervilor spinali care controlează locomoția.

Pentru a calibra decodarea semnalelor cerebrale, cercetătorii au implantat senzorul creierului și transmițătorul wireless în macaci sănătoși. Semnalele transmise de senzor ar putea fi apoi mapate pe mișcările picioarelor animalelor. Au arătat că decodorul a fost capabil să prezică cu precizie stările creierului asociate cu extensia și flexia mușchilor picioarelor.

Wireless este crucial

Capacitatea de a transmite semnale cerebrale fără fir a fost esențială pentru această lucrare, spune Borton. Sistemele cablate de detectare a creierului limitează libertatea de mișcare, ceea ce, la rândul său, limitează informațiile pe care cercetătorii sunt capabili să le adune despre locomoție.

„Făcând acest lucru fără fir ne permite să mapăm activitatea neuronală în contexte normale și în timpul comportamentului natural”, spune Borton. „Dacă ne propunem cu adevărat neuroprotezele care pot fi implementate într-o zi pentru a ajuta pacienții umani în timpul activităților vieții de zi cu zi, astfel de tehnologii de înregistrare nelegate vor fi esențiale”.

Pentru lucrarea curentă, publicată în NaturăCercetătorii și-au combinat înțelegerea modului în care semnalele creierului influențează locomoția cu hărțile coloanei vertebrale, dezvoltate de laboratorul Courtine de la EPFL, care a identificat punctele fierbinți neuronale din coloana vertebrală responsabile de controlul locomotor. Acest lucru a permis echipei să identifice circuitele neuronale care ar trebui stimulate de implantul spinal.

Cu aceste piese la locul lor, cercetătorii au testat apoi întregul sistem pe două macacuri cu leziuni care se întindeau pe jumătate din măduva spinării în coloana lor toracică. Macacii cu acest tip de leziuni recâștigă, în general, controlul funcțional al piciorului afectat pe o perioadă de aproximativ o lună, spun cercetătorii. Echipa și-a testat sistemul în săptămânile următoare rănirii, când încă nu exista un control volitiv asupra piciorului afectat.

Descoperirile arată că odată cu sistemul pornit, animalele au început să își miște spontan picioarele în timp ce mergeau pe o bandă de alergat. Comparațiile cinematice cu controalele sănătoase au arătat că macacii leziși, cu ajutorul stimulării controlate de creier, au fost capabili să producă modele locomotorii aproape normale.

În timp ce demonstrează că sistemul funcționează într-un primat neuman este un pas important, cercetătorii au subliniat că trebuie făcută mult mai multă muncă pentru a începe testarea sistemului la oameni. De asemenea, au subliniat mai multe limitări în studiu.

De exemplu, în timp ce sistemul utilizat în acest studiu a transmis cu succes semnale de la creier la coloana vertebrală, nu are capacitatea de a returna informații senzoriale la creier. De asemenea, echipa nu a putut testa cât de multă presiune au putut animalele să aplice asupra piciorului afectat. Deși era clar că membrul avea o anumită greutate, nu era clar din această lucrare cât de mult.

„Într-un studiu complet de traducere, am vrea să facem o mai mare cuantificare cu privire la cât de echilibrat este animalul în timpul mersului și să măsurăm forțele pe care le pot aplica”, spune Borton.

În ciuda limitărilor, cercetarea stabilește scena pentru studiile viitoare la primate și, la un moment dat, potențial ca ajutor de reabilitare la oameni.

„Există un proverb în neuroștiințe care circuitele care trag împreună se conectează”, spune Borton. Ideea de aici este ca prin angajarea creierului si maduvei spinarii impreuna, putem fi capabili sa imbunatateasca cresterea circuitelor in timpul reabilitarii. Acesta este unul dintre obiectivele majore ale acestei lucrări și un obiectiv al acestui domeniu în general. ”

Finanțarea a provenit din al șaptelea program-cadru al Comunității Europene, Fundația Internațională pentru Cercetare în Paraplegie Grantul de la Consiliul European de Cercetare, Centrul Wyss din Geneva Bursa Marie Curie, Bursele Marie Curie COFUND EPFL, Bursa Medtronic Morton Cure Paralysis Fund, NanoTera.ch Program, Centrul Național de Competență în Cercetare în Robotică Programul Sinergia, cooperarea șino-elvețiană în domeniul științei și tehnologiei și Fundația Națională Elvețiană pentru Știință.

Sursa: Brown University

{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}

Cărți asemănătoare:

at InnerSelf Market și Amazon