Naukowcy wykorzystali bezprzewodowy "interfejs mózg-rdzeń kręgowy", aby ominąć urazy rdzenia kręgowego u pary makaków rezus, przywracając celowy ruch chodu tymczasowo sparaliżowanej nodze.

Naukowcy twierdzą, że po raz pierwszy zastosowano protezę nerwową, aby przywrócić ruch chodzenia bezpośrednio do nóg naczelnych.

„Opracowany przez nas system wykorzystuje sygnały zarejestrowane z kory ruchowej mózgu, aby wywołać skoordynowaną stymulację elektryczną nerwów w kręgosłupie, które są odpowiedzialne za poruszanie się” – mówi David Borton, adiunkt inżynierii na Uniwersytecie Browna i współautor. badania. „Po włączeniu systemu zwierzęta w naszym badaniu poruszały się prawie normalnie”.

Prace mogą pomóc w opracowaniu podobnego systemu zaprojektowanego dla ludzi po urazach rdzenia kręgowego.

Przywróć komunikację

„Istnieją dowody sugerujące, że kontrolowany mózgiem system stymulacji kręgosłupa może usprawnić rehabilitację po urazie rdzenia kręgowego” – mówi Borton. „To krok w kierunku dalszego testowania tej możliwości”.

Grégoire Courtine, profesor w Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL), który kierował współpracą, rozpoczął w Szwajcarii badania kliniczne w celu przetestowania grzbietowej części interfejsu. Ostrzega: „Przed nami wiele wyzwań i może minąć kilka lat, zanim wszystkie elementy tej interwencji będą mogły zostać przetestowane na ludziach”.

Chodzenie jest możliwe dzięki złożonej interakcji między neuronami w mózgu i rdzeniu kręgowym. Sygnały elektryczne pochodzące z kory ruchowej mózgu docierają do obszaru lędźwiowego w dolnej części rdzenia kręgowego, gdzie aktywują neurony ruchowe, które koordynują ruch mięśni odpowiedzialnych za wyprostowanie i zgięcie nogi.

Uszkodzenie górnego odcinka kręgosłupa może przerwać komunikację między mózgiem a dolnym rdzeniem kręgowym. Zarówno kora ruchowa, jak i neurony rdzeniowe mogą być w pełni funkcjonalne, ale nie są w stanie koordynować swojej aktywności. Celem badania było przywrócenie części tej komunikacji.

Interfejs mózgowo-rdzeniowy wykorzystuje matrycę elektrod wielkości pigułki wszczepioną do mózgu do rejestrowania sygnałów z kory ruchowej. Technologia czujników została opracowana częściowo do celów badawczych u ludzi przez zespół BrainGate, w skład którego wchodzi Brown, Case Western Reserve University, Massachusetts General Hospital, Providence VA Medical Center i Stanford University.

Technologia jest wykorzystywana w trwających pilotażowych badaniach klinicznych i była wcześniej wykorzystywana w „The Puzzle of Monogamous Marriage” kierowany przez neuroinżyniera Browna Leigha Hochberga, w którym osoby z tetraplegią były w stanie obsługiwać ramię robota po prostu myśląc o ruchu własnej ręki.

Bezprzewodowy neuroczujnik, opracowany w laboratorium neuroinżynieryjnym profesora Browna Arto Nurmikko przez zespół, w skład którego wchodził Borton, wysyła sygnały zebrane przez chip mózgowy bezprzewodowo do komputera, który je dekoduje i przesyła bezprzewodowo z powrotem do elektrycznego stymulatora kręgosłupa wszczepionego w odcinku lędźwiowym kręgosłup, poniżej obszaru urazu. Ta stymulacja elektryczna, dostarczana we wzorcach skoordynowanych przez rozszyfrowany mózg, wysyła sygnały do ​​nerwów rdzeniowych, które kontrolują lokomocję.

Aby skalibrować dekodowanie sygnałów mózgowych, naukowcy wszczepili czujnik mózgowy i bezprzewodowy nadajnik zdrowym makakom. Sygnały przekazywane przez czujnik można następnie odwzorować na ruchy nóg zwierząt. Wykazali, że dekoder był w stanie dokładnie przewidzieć stany mózgu związane z wyprostem i zgięciem mięśni nóg.

Bezprzewodowość ma kluczowe znaczenie

Zdolność do bezprzewodowego przesyłania sygnałów mózgowych była kluczowa dla tej pracy, mówi Borton. Przewodowe systemy wykrywania mózgu ograniczają swobodę ruchów, co z kolei ogranicza informacje, które badacze są w stanie zebrać na temat lokomocji.

„Wykonywanie tego bezprzewodowo umożliwia nam mapowanie aktywności neuronowej w normalnych kontekstach i podczas naturalnego zachowania” – mówi Borton. „Jeśli naprawdę dążymy do neuroprotetyki, która pewnego dnia będzie mogła zostać wdrożona, aby pomóc ludzkim pacjentom podczas codziennych czynności, takie nieograniczone technologie nagrywania będą miały kluczowe znaczenie”.

Do bieżącej pracy, opublikowanej w NaturaNaukowcy połączyli swoją wiedzę na temat wpływu sygnałów mózgowych na lokomocję z mapami kręgosłupa, opracowanymi przez laboratorium Courtine w EPFL, które zidentyfikowało nerwowe punkty aktywne w kręgosłupie odpowiedzialne za kontrolę ruchu. Umożliwiło to zespołowi zidentyfikowanie obwodów nerwowych, które powinny być stymulowane przez implant kręgowy.

Po umieszczeniu tych elementów naukowcy przetestowali cały system na dwóch makakach ze zmianami obejmującymi połowę rdzenia kręgowego w odcinku piersiowym. Naukowcy twierdzą, że makaki z tego typu urazami na ogół odzyskują funkcjonalną kontrolę nad dotkniętą nogą w ciągu około miesiąca. Zespół testował swój system w ciągu kilku tygodni po kontuzji, kiedy nadal nie było dobrowolnej kontroli nad dotkniętą nogą.

Odkrycia pokazują, że po włączeniu systemu zwierzęta zaczęły spontanicznie poruszać nogami podczas chodzenia na bieżni. Porównania kinematyczne ze zdrowymi kontrolami wykazały, że uszkodzone makaki, przy pomocy kontrolowanej przez mózg stymulacji, były w stanie wytworzyć prawie normalne wzorce lokomotoryczne.

Chociaż wykazanie, że system działa na naczelnym innym niż człowiek, jest ważnym krokiem, naukowcy podkreślili, że należy wykonać znacznie więcej pracy, aby rozpocząć testowanie systemu na ludziach. Zwrócili również uwagę na kilka ograniczeń w badaniu.

Na przykład, podczas gdy system wykorzystany w tym badaniu z powodzeniem przekazywał sygnały z mózgu do kręgosłupa, brakuje mu zdolności do zwracania informacji sensorycznych do mózgu. Zespół nie był również w stanie przetestować, jak duży nacisk zwierzęta były w stanie wywrzeć na dotkniętą nogę. Chociaż było jasne, że kończyna trochę obciążyła, z tej pracy nie wynikało jasno, ile.

„W pełnym badaniu translacyjnym chcielibyśmy przeprowadzić więcej kwantyfikacji tego, jak zrównoważone jest zwierzę podczas chodzenia i zmierzyć siły, które są w stanie zastosować” – mówi Borton.

Pomimo ograniczeń, badania przygotowują grunt pod przyszłe badania na naczelnych i, w pewnym momencie, potencjalnie jako pomoc rehabilitacyjna u ludzi.

„W neuronauce istnieje powiedzenie, że obwody, które razem się uruchamiają, łączą się ze sobą” — mówi Borton. „Ideą jest to, że angażując mózg i rdzeń kręgowy razem, możemy być w stanie zwiększyć wzrost obwodów podczas rehabilitacji. To jeden z głównych celów tej pracy i ogólnie cel tej dziedziny”.

Finansowanie pochodziło z Siódmego Programu Ramowego Wspólnoty Europejskiej, International Foundation for Research in Paraplegia Starting Grant z Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, Stypendium Marie Curie w Wyss Centre w Genewie, stypendiów Marie Curie COFUND EPFL, stypendium Medtronic Morton Cure Paralysis Fund, NanoTera.ch Program, National Center of Competence in Research in Robotics Sinergia, Chińsko-Szwajcarska Współpraca Nauki i Technologii oraz Szwajcarska Narodowa Fundacja Nauki.

Źródło: Brown University

{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}

Powiązane książki:

at Rynek wewnętrzny i Amazon