Lammelse og hjerneforebygging
Indholdsfortegnelse:
- Dekoderende hjerne signaler
- Hvordan teknologien virker
- Ligesom Case Western-innovationerne hjalp Ohio State Innovation med en mand med quadriplegia at bruge sin hånd efter mange års lammelse .
- Neuroscientists, der observerer de seneste gennembrud, er imponerede og optimistiske.
Videnskabelige gennembrud i hjerne-computer-grænsefladeteknologi kan give nyt håb for at overvinde lammelse.
I det seneste fremskridt genvandt en mand med quadriplegia, der blev lammet for otte år siden, sin funktionelle bevægelse.
AnnonceAdvertisementHan fodrede sig med sin hånd ved hjælp af denne teknologi, en første i medicinsk historie.
Forskere fra Case Western Reserve University i Ohio annoncerede deres resultater den 28. marts i den britiske læge journal The Lancet.
Case Western-meddelelsen blev foretaget dagen efter iværksætteren Elon Musk (fra Tesla elbil og raketfirma SpaceX) afslørede planer om at udvikle en lignende teknologi.
AnnonceMuskens "neural blonde", ifølge en rapport i The Wall Street Journal, ville forbinde en persons hjerne direkte med en computer.
Samtidig arbejder forskere ved Ohio State University (OSU) sammen med en patient med lammelse og har udviklet en teknologi, der ligner den hos Case Western.
OSU-teamet udvikler teknologien med videnskabsmænd ved Battelle Memorial Institute, en nonprofit organisation i Ohio, der opretter medicinsk udstyr.
Læs mere: Exoskeletoner hjælper folk med lammelse gå igen »
Dekoderende hjerne signaler
Case Western-forskerne har arbejdet sammen med Bill Kochevar, en 53-årig med quadriplegia, som blev skadet i en cykelulykke.
Forskerne implanterede en neuroprostese, der afkodede hans hjerne signaler og sendte dem til sensorer i armen, hvilket hjalp ham til at genvinde bevægelse i hånd og arm.
Robert Kirsch, ph.d., formand for Case Western Department of Biomedical Engineering, direktør for universitetets funktionelle elektriske stimuleringscenter (FES) Center, er seniorforfatter af forskningen.
AnnonceAdvertisementHan kaldte gennembrudet et stort skridt.
"Vi har vist muligheden for at optage andres bevægelsesintentioner og derefter lave deres egen arm til at gøre disse bevægelser," sagde han.
Han tænker bare på at flytte armen og armen bevæger sig som han har til hensigt. Bolu Ajiboye, Case Western Reserve UniversityKirschs kollega Bolu Ajiboye, ph.d., assistent professor i biomedicinsk teknik hos Case Western og forskningsassistent i Louis Stokes Cleveland Veterans Administration Medical Center, forklarede, hvordan teknologien virker.
Annonce"Normal bevægelse i uberørte personer opstår, fordi motorbarken genererer en bevægelseskommando, repræsenteret som elektriske signaler, der føres gennem rygmarven, og aktiverer derefter de relevante muskler", fortalte Ajiboye Healthline.
En rygmarvsskade forhindrer de elektriske impulser i at nå musklene, forklarede han, men den originale bevægelseskommando er stadig korrekt kodet i hjernens mønstre af elektrisk aktivitet.
AnnonceAdvertisement"Vores system registrerer mønsteret af elektrisk aktivitet gennem hjerneimplantatet og bruger matematiske algoritmer til at dekode det i en bevægelseskommando, der er beregnet af den person med forlamning. Denne kommando omdannes til et elektrisk stimuleringsmønster, der påføres den rigtige gruppe af muskler for at frembringe bevægelsen. Til hr. Kochevar er processen sømløs og usynlig. I hans ord siger han, at han bare tænker på at flytte armen og armen bevæger sig som han har til hensigt. "
Ajiboye påpegede også, hvad denne nye teknologi ikke er.
Videnskab har forsøgt mange gange at "fixe" en beskadiget rygsøjle gennem vævsteknologi og genvækst uden succes, sagde han.
Annonce"Vi ville elske for forskere at finde en måde at regrow og genoprette rygmarven ved hjælp af celleterapier," sagde Ajiboye. "Men vores nuværende tilgang bruger teknologi til at omgå rygsøjlen for at få bevægelsessignalerne fra hjernen til højre sæt muskler til at producere bevægelsen. "
Andre teknologier, der hjælper folk med lammelse til at genvinde funktion, er typisk begrænset til enheder, som de kan styre ved hjælp af deres stemmer og øjenbevægelser eller ved at flytte deres hoveder.
AnnonceAdvertisementIngen af disse enheder tillader imidlertid kontrol med ens eget lemmer.
"Vores enhed gør det muligt for en bruger at flytte sit eget lemme bare ved at tænke," forklarede Ajiboye. "Jeg vil gerne gøre det klart, at vores system er at omgå rygsmerter, snarere end at vende lammelse. Uden systemet vil brugeren stadig være lammet, og der er intet bevis for at antage, at brugen af dette system i sidste ende ville resultere i ryggenes genvinding eller ville genindføre evnen til at bevæge sig uden systemet. "
Læs mere: Implant hjælper folk med lammelse genvinde brugen af deres lemmer»
Hvordan teknologien virker
Hvorfor er Case Western-teknologien unik?
Systemet er det første, der bruger både en hjerneimplantat-computerinterface med et FES-system til elektrisk aktivering af lammede muskler.
Forud for dette har forskere behandlet en række mennesker med lammelse, men med kun én tilgang eller den anden.
Kochevar er den første person, der oplever denne kombinerede teknologi.
Ajiboye sagde, at mange forskergrupper har brugt hjernens grænsefladesystem med mennesker og med ikke-menneskelige primater. Begge testgrupper var i stand til at udføre opgaver som at flytte markører på en computerskærm eller flytte robotarm.
"Vores FES-center for de sidste 25 til 30 år har implanteret FES-systemer hos personer med rygmarvsskader for at genoprette en række funktioner, herunder stående, gå, vejrtrækning og hånd- og armbevægelser," sagde han.
Kochevar sluttede sig til Case Western forskningsprojektet i 2014. Han fik sine hjerneimplantater i december samme år.I 2015 implanterede Kirsch, Ajiboye og deres kollegaer elektroder i musklerne i hans arm og hånd.
Kochevar lærte at aktivere sine hjerne signaler til at styre forskellige enheder.
"Vi havde ham først se en virtuelt armbevægelse på en computerskærm, mens han samtidig forestillede sig at lave de samme bevægelser med sin egen arm," sagde Ajiboye. "Dette genererede mønstre af neurale aktiviteter. Vi udviklede derefter en neural dekoder, en matematisk algoritme, der relaterede de genererede mønstre af neurale aktiviteter med aspekter af de virtuelle armbevægelser. "
Dernæst havde de Kochevar kontrol med den virtuelle arm ved at generere mønstre af hjerne signaler, der blev fortolket af den neurale dekoder, sagde Ajiboye.
Kochevar uddannet til at flytte den virtuelle arm med præcision til bestemte mål i arbejdsområdet. Forskerne kvantificerede sin hjerne kontrol over den virtuelle arm og opdagede, at han var i stand til at kontrollere det næsten øjeblikkeligt, sagde Ajiboye. Derudover opnåede Kochevar relativt hurtigt en succesrate på 95 til 100 procent af målnøjagtigheden.
Endelig havde forskerne Kochevar forsøg på at flytte sin arm gennem FES stimulering i en to-trins proces.
"Vi flyttede manuelt hans arm (via elektrisk stimulering) og instruerede ham til at forestille sig, at han havde kontrol over hans armbevægelser," sagde Ajiboye. "Dette hjalp igen med at generere de ønskede mønstre af neurale aktiviteter, som vi plejede at opbygge og forfine vores neurale dekoder. Vi fik ham til at bruge den endelige neurale dekoder til at beordre bevægelserne i sin egen arm, genoplivet gennem elektrisk stimulering. Han kunne straks flytte sin arm som ønsket, og har gradvist fået bedre med øget brug. "I en video udgivet af Case Western, sagde Kochevar," Det var fantastisk, fordi jeg tænkte på at flytte min arm, og det gjorde det. Jeg kunne flytte den ind og ud, op og ned. "
Da Kochevar havde langvarig lammelse, var hans muskler oprindeligt svage og let trætte. Ajiboye sagde.
For at opbygge sin muskelstyrke og modstandsdygtighed overfor træthed, udøvede holdet sine muskler i flere timer om dagen ved hjælp af elektrisk stimulering uden hjernens grænseflade.
Over tid øgede denne elektrisk stimulerede øvelse sin muskelstyrke og sin evne til at bruge systemet længere uden træthed.
Læs mere: Man genvinder gangevnen ved at bruge sine egne hjernebølger »
Hjernetrim-grænseflader
Ligesom Case Western-innovationerne hjalp Ohio State Innovation med en mand med quadriplegia at bruge sin hånd efter mange års lammelse.
Forskerholdet blev ledet af Dr. Ali Rezai, professor i neurokirurgi og neurovidenskab, og direktør for Center for Neuromodulation ved universitetets Wexner Medical Center.
Patienten, Ian Burkhart, opretholdt en alvorlig rygmarvsskade i en alder af 19 år under en dykulykke. Det efterlod ham med lille funktion og bevægelse i hans skuldre og biceps, og ingen bevægelse fra sine albuer til hans hænder.
"Vores team har udviklet en hjerne-computer interface teknologi, der omgår den beskadigede rygmarv, hvilket tillader en patient som Ian med rygmarvsskade og quadriplegia og ingen funktion af hans hænder i fem år for simpelthen at bruge sine tanker til at flytte hans livløs hånd for at komme til live og under hans overvågning, "fortalte Rezai Healthline.
Nick Annetta, højre, af Battelle, ser som Ian Burkhart, 24, spiller et guitarvideospil ved hjælp af sin lammede hånd. Billedkilde: Ohio State University Wexner Medical Center / Battelle
Rezai og hans kolleger udviklede det neurale bypass-system, som registrerer og analyserer hjerneaktiviteten, der opstår, når Burkhart har til hensigt at flytte sin hånd.
Efter at have omgået den beskadigede rygmarv og beskadiget forbindelse fra hjernen til muskelnervene, forbinder systemet Burkharts hjerne signal med en ekstern beklædningsarm, sagde Rezai.
Dette gør det muligt for Burkhart at flytte sin hånd.
"Hjernimplantatet registrerer og fortolker hjernens signaler forbundet med tanker, og forbinder dem med et eksternt slidstærkt beklædningsgenstand for at styre sine muskler," forklarede Rezai. "Det er et neuromuskulært stimuleringssystem. Tankerne i forbindelse med en intention om at bevæge sig - for eksempel at åbne hånden - er forbundet og forbundet inden for millisekunder til den faktiske funktionelle håndbevægelse. "
Den første generation af det eksterne bærbare ærmer beklædningsgenstand og stimuleringssystem, sagde han, har op til 160 stimulerende elektroder" lavet af super fleksibel hydrogel - en high-definition, høj opløsning array af elektroder, der er i overensstemmelse med forskellige former og konturer som underarmen. "
Beklædningen kan formes til en ærme, en handske, en sok, bukser, bælte, hovedbånd og andre formfaktorer.
"Der kræves betydelig kompleksitet og koordinering for at tillade bevægelser på en jævn måde at hente en omrører for at røre kaffen, bruge en tandbørste eller spille et videospil," sagde han. "Denne maskine læring algoritme forbedrer og raffinerer bevægelserne fra ru og hakket bevægelser til mere glatte og væske bevægelser. "
Læs mere: Bionic teknologi, der hjælper med at genoprette muskelkontrol»
Optimisme for fremtiden
Neuroscientists, der observerer de seneste gennembrud, er imponerede og optimistiske.
Joseph O'Doherty, ph.d., senior postdoktor ved Philip Sabes Lab ved University of California, San Francisco, Center for Integrativ Neurovidenskab, kalder disse nylige fremskridt inden for hjerne-computer-grænseflade teknologi "banebrydende. "
" Denne undersøgelse viser, at lammede lemmer kan genoplives - alene tænkt - for at genskabe de koordinerede, multifunktionsbevægelser, der er vigtige for det daglige liv: at nå, greb, spise og drikke, "fortalte han Healthline. "Det er en proof-of-principle-demonstration, der hæver muligheden for, at lignende terapier snart kunne finde adoption uden for klinikken. "
Forskere har arbejdet på hjerne-computer-grænseflader, i en eller anden form, siden slutningen af 1960'erne, sagde han. Feltet har udviklet sig fra styring af computermarkører, til bevægelige kørestole og robotarm, til nu at genoprette frivillig kontrol over lemmerne.
"Rygmarvsskade forringer ofte følelsesfølelsen såvel som evnen til at bevæge sig," sagde O'Doherty. "Gendannelse af lemfornemmelser vil være et afgørende element i neuroprosteser, som tillader væske og naturlige bevægelser. "
" Der er stadig mange udfordringer at overvinde, "tilføjede han," men det nye resultat kombineret med mange relaterede fremskridt inden for trådløs teknologi, batteriteknologi, materialevidenskab og meget mere gør mig meget optimistisk om neuroprostetiske enheder til genopretning bevægelse og fornemmelse bliver bredt tilgængelige. "
Disse innovationer giver håb og potentialet for bevægelsesgendannelse og øget uafhængighed for mange patienter, der lever med lammelse eller andre fysiske handicap. Dr. Ali Rezai, Ohio State University Wexner Medical Center
Rezai sagde 12.000 personer i USA hvert år bærer rygmarvsskade, og 300.000 lever med sådanne skader fra ulykker i motorkøretøjer, traumer, sportsskader, og falder.Mindre end 1 procent opnår fuld opsving, og de fleste har underskud, der er afhængige af forskellige hjælpemidler og adaptive teknologier for at give en begrænset grad af uafhængighed.
"Disse innovationer tilbyder håb og potentialet for bevægelsesgendannelse og øget uafhængighed for mange patienter, der lever med lammelse eller andre fysiske handicap," sagde Rezai. "Ud over motoriske forbedringer har denne teknologi potentielle konsekvenser for dem med sensoriske underskud, kronisk smerte, tale, slagtilfælde, kognitive, angst og adfærdsmæssige konsekvenser. Rezai sagde, at han håber, at de, der har fysiske, sensoriske, kognitive og andre handicap, snart vil have mulighed for at være mere funktionelle, mere selvstændige og bedre livskvalitet.
"Vores mål er at gøre denne teknologi mindre invasiv, reducere enhedens størrelse, miniaturere sensorerne, gøre systemet trådløst og levere systemet hjemme i stedet for i laboratoriet," sagde han.
Case Western-teamet arbejder også for at fremme sit system teknologisk.
"Vi har brug for at udvikle en trådløs hjerneinterface til at erstatte kablet, der forbinder brugeren med et sæt registreringscomputere," sagde Ajiboye. "Vi er nødt til at forbedre hjerneimplantatet for lang levetid, for at øge antallet af neuroner, vi kan optage fra, og at udvikle en fuldt implanteret hjerneflade og et funktionelt elektrisk stimuleringssystem. ”
