Lammelse og hjernekontakt kirurgi

Vitenskapelige gjennombrudd i hjernedatamaskingrensesnittteknologi kan gi nytt håp for å overvinne lammelse.

I det siste forløpet gjenvarte en mann med quadriplegia som ble lammet for åtte år siden, å gjenvinne sin funksjonelle bevegelse.

ReklameAdvertisement

Han matet seg med hånden sin med denne teknologien, en første i medisinsk historie.

Forskere ved Case Western Reserve University i Ohio kunngjorde sine funn den 28. mars i britisk medisinsk journal The Lancet.

Annonsering

Musks "neural blonde", ifølge en rapport i The Wall Street Journal, vil koble en persons hjerne direkte med en datamaskin.

Samtidig arbeider forskere ved Ohio State University (OSU) med en pasient med lammelse og har utviklet en teknologi som ligner den på Case Western.

advertisementAdvertisement OSU-teamet utvikler teknologien med forskere ved Battelle Memorial Institute, en ideell organisasjon i Ohio som lager medisinsk utstyr.

Les mer: Exoskeletoner som hjelper folk med lammelse, gå igjen »

Dekoding av hjerne signaler

Case Western-forskerne har jobbet med Bill Kochevar, en 53 år gammel med quadriplegia som ble skadet i en sykkelulykke.

Robert Kirsch, PhD, leder av Case Western Department of Biomedical Engineering, administrerende direktør for universitetets funksjonelle elektriske stimulering (FES) senter, er seniorforfatter av forskningen.

AnnonseAdvertisement

Han kalte gjennombruddet et stort skritt.

"Vi har vist muligheten til å registrere noen bevegelsesintensjoner og deretter lage sin egen arm til å gjøre disse bevegelsene," sa han.

Han tenker bare på å flytte armen og armen beveger seg som han har til hensikt. Bolu Ajiboye, Case Western Reserve University

Kirschs kollega Bolu Ajiboye, PhD, assisterende professor i biomedisinsk ingeniør ved Case Western, og forskningsassistent ved Louis Stokes Cleveland Veterans Administration Medical Center, forklarte hvordan teknologien fungerer.

Annonse

"Normal bevegelse i uberørte personer oppstår fordi motorbarken genererer en bevegelseskommando, representert som elektriske signaler, som passerer gjennom ryggmargen, og aktiverer deretter de aktuelle musklene," fortalte Ajiboye Healthline.

En ryggmargsskade forhindrer de elektriske impulser fra å nå musklene, forklarte han, men den originale bevegelseskommandoen er fortsatt riktig kodet i hjernens mønstre av elektrisk aktivitet.

AdvertisementAdvertisement

"Vårt system registrerer mønsteret av elektrisk aktivitet gjennom hjerneimplantatet og bruker matematiske algoritmer til å dekode den i en bevegelseskommando som er beregnet av den person med lammelse. Denne kommandoen er omgjort til et elektrisk stimuleringsmønster som påføres den rette gruppen av muskler for å produsere bevegelsen. Til Mr. Kochevar er prosessen sømløs og usynlig. I hans ord sier han at han bare tenker på å flytte armen og armen beveger seg som han har til hensikt. "

Ajiboye påpekte også hva denne nye teknologien ikke er.

Vitenskap har forsøkt mange ganger å "fikse" en skadet ryggrad gjennom vevsteknologi og gjenvekst uten suksess, sa han.

Annonsering

"Vi vil gjerne for forskere finne en måte å regrow og koble tilbake ryggraden ved hjelp av celleterapier," sa Ajiboye. "Men vår nåværende tilnærming bruker teknologi for å omgå spinalskade for å få bevegelsessignalene fra hjernen til høyre sett med muskler for å produsere bevegelsen. "

Andre teknologier som hjelper folk med lammelse til å gjenvinne funksjonen, er vanligvis begrenset til enheter de kan kontrollere ved hjelp av deres stemmer og øyebevegelser, eller ved å flytte hodene sine.

AdvertisementAdvertisement

Ingen av disse enhetene tillater imidlertid kontroll over ens eget lem.

"Vår enhet lar brukeren flytte sitt eget lem bare ved å tenke," forklarte Ajiboye. "Jeg vil gjøre det klart at systemet vårt kringgår ryggskade, snarere enn å reversere lammelse. Uten systemet vil brukeren fortsatt være lammet, og det er ikke noe som tyder på at bruk av dette systemet til slutt vil resultere i rygggenvekst, eller vil gjeninnføre evnen til å bevege seg uten systemet. "

Les mer: Implantat hjelper folk med lammelse gjenvinne bruk av deres lemmer»

Hvordan teknologien virker

Hvorfor er Case Western-teknologien unik?

Systemet er det første som bruker både et hjernimplantat-grensesnitt med et FES-system for å aktivere lammede muskler elektrisk.

Forut for dette har forskere behandlet en rekke mennesker med lammelser, men med bare en tilnærming eller den andre.

Kochevar er den første personen som opplever denne kombinerte teknologien.

Ajiboye sa at mange forskergrupper har brukt hjernens grensesnitt med mennesker og med ikke-menneskelige primater. Begge testgruppene var i stand til å utføre oppgaver som å flytte markører på en dataskjerm eller bevege robotarmene.

"Vårt FES-senter for de siste 25 til 30 årene har implantert FES-systemer hos personer med ryggmargenskader for å gjenopprette en rekke funksjoner, inkludert stående, gå, puste og hånd- og armbevegelser," sa han.

Kochevar ble med i Case Western forskningsprosjektet i 2014. Han mottok hjerneimplantatene i desember samme år.I 2015 implanterte Kirsch, Ajiboye, og deres kollegaer elektroder i armene og håndens muskler.

Kochevar lærte å aktivere hjernens signaler for å kontrollere forskjellige enheter.

"Vi først fikk ham til å se en virtuell arm flytte på en dataskjerm, mens han samtidig syntes å gjøre de samme bevegelsene med sin egen arm," sa Ajiboye. "Dette genererte mønstre av nevrale aktivitet. Vi utviklet deretter en neural dekoder, en matematisk algoritme som relaterte de genererte mønstrene av nevrale aktivitet med aspekter av de virtuelle armbevegelsene. "

Deretter hadde de Kochevar kontroll over den virtuelle armen ved å generere mønstre av hjerne signaler som ble tolket av nevrale dekoderen, sa Ajiboye.

Kochevar trent til å flytte den virtuelle armen med presisjon til bestemte mål i arbeidsområdet. Forskerne kvantifiserte hjernens kontroll over den virtuelle armen, og oppdaget at han var i stand til å kontrollere det nesten umiddelbart, sa Ajiboye. I tillegg oppnådde Kochevar relativt raskt en suksessrate på 95 til 100 prosent av målnøyaktigheten.

Endelig hadde forskerne Kochevar forsøk på å bevege armen gjennom FES stimulering i en to-trinns prosess.

"Vi flyttet manuelt armen (via elektrisk stimulering) og instruerte ham om å forestille seg at han hadde kontroll over armbevegelsene sine," sa Ajiboye. "Dette bidro igjen til å generere de ønskede mønstrene for nevrale aktivitet, som vi pleide å bygge og forfine vår neurale dekoder. Vi fikk ham til å bruke den endelige neurale dekoderen til å beordre bevegelsene i sin egen arm, reanimert gjennom elektrisk stimulering. Han var i stand til å straks flytte armen som ønsket, og har gradvis blitt bedre med økt bruk. "I en video utgitt av Case Western, sa Kochevar," Det var fantastisk fordi jeg tenkte på å flytte armen min og det gjorde det. Jeg kunne flytte den inn og ut, opp og ned. "

Siden Kochevar hadde langvarig lammelse, var musklene i utgangspunktet svake og lett trette. Ajiboye sa.

For å bygge muskelstyrken og motstanden mot tretthet, laget "trente" musklene sine i flere timer om dagen ved hjelp av elektrisk stimulering uten hjernens grensesnitt.

Over tid økte denne elektrisk stimulerte øvelsen sin muskelstyrke og sin evne til å bruke systemet lenger uten tretthet.

Les mer: Man gjenvinner vandringsevnen ved å bruke egne hjernebølger »

Hjernetrim-grensesnitt

I likhet med Case Western-innovasjonene bidro Ohio State innovasjon til en mann med quadriplegia å bruke sin hånd etter mange års lammelse.

Forskningsgruppen ble ledet av Dr. Ali Rezai, professor i nevrokirurgi og nevrovitenskap, og leder av Senter for Neuromodulasjon ved Universitetets Wexner Medical Center.

Pasienten, Ian Burkhart, opplevde en alvorlig ryggmargsskade i 19 år under en dykkersyklus. Det forlot ham med liten funksjon og bevegelse i skuldrene og biceps, og ingen bevegelse fra albuene til hendene.

"Vårt team har utviklet en hjernedatamaskingrensesnittteknologi som omgår den skadede ryggmargen, noe som tillater en pasient som Ian med ryggmargenskade og kvadriplegi og ingen funksjon av hendene i fem år for å bare bruke tankene sine til å bevege hans livløs hånd for å komme til live og under hans volumkontroll, "fortalte Rezai Healthline.

Nick Annetta, høyre, av Battelle, ser som Ian Burkhart, 24, spiller et gitarvideospill med sin lammede hånd. Bilde Kilde: Ohio State University Wexner Medical Center / Battelle

I april 2014 implanterte Rezai en mikrochip på størrelse med hodet på en blyantglass på overflaten av motorbarken i Burkharts hjerne. Chippens 96 mikroelektroder registrerte avfyringen av hans individuelle neuroner.

Rezai og hans kolleger utviklet det neural bypass-systemet, som registrerer og analyserer hjernenes aktivitet som oppstår når Burkhart har til hensikt å flytte sin hånd.

Etter å ha omgått den skadede ryggmargen og skadet tilkobling fra hjernen til muskelnervene, kobler systemet Burkharts hjerne-signal med en ekstern plagghylse, sa Rezai.

Dette gjør det mulig for Burkhart å flytte sin hånd.

"Hjernimplantatet registrerer og tolker hjernens signaler knyttet til tanker, og knytter dem til et eksternt slitesterkt ermetrekk for å kontrollere musklene," forklarte Rezai. "Det er et nevromuskulært stimuleringssystem. Tankene som er forbundet med en intensjon om å bevege seg - for eksempel å åpne hånden - er koblet og koblet i løpet av millisekunder til faktisk funksjonell håndbevegelse. "

Den første generasjonen av det eksterne slitesterkt klesplagg og stimuleringssystem, sa han, har opptil 160 stimulerende elektroder" bestående av super fleksibel hydrogel - et høydefinert, høyoppløselig utvalg av elektroder som samsvarer med forskjellige former og konturer som underarmen. "

Plagget kan formes i en ermet, en hanske, en sokk, bukser, belte, hodebånd og andre formfaktorer.

"Vesentlig kompleksitet og koordinering er nødvendig for å tillate bevegelser på en jevn måte å plukke opp en omrører for å røre kaffen, bruke en tannbørste, eller spille et videospill," sa han. "Denne maskinlæringsalgoritmen forbedrer og raffinerer bevegelsene fra grove og hakkede bevegelser, til mer jevne og flytende bevegelser. "

Les mer: Bionic teknologi som hjelper til med å gjenopprette muskelkontrollen.

Optimisme for fremtiden

Neuroscientists som observerer de siste gjennombruddene, er imponerte og optimistiske.

Joseph O'Doherty, PhD, en senior postdoktor ved Philip Sabes Lab ved University of California, San Francisco, senter for integrativ nevrovitenskap, kaller disse siste fremskrittene i hjernedatamaskingrensesnittteknologi "banebrytende. "

" Denne undersøkelsen viser at lammede lemmer kan reanimeres - ved å tenke alene - for å gjenopprette koordinerte, flerkambevegelser som er viktige for dagliglivet: å nå, gripe, spise og drikke, "fortalte han Healthline. "Det er en proof-of-principle demonstrasjon som øker muligheten for at lignende terapier snart kunne finne adopsjon utenfor klinikken. "

Forskere har jobbet på grensesnitt til hjernekomputer, i en eller annen form, siden slutten av 1960-tallet, sa han. Feltet har utviklet seg fra styring av datamaskinmarkører, til å bevege rullestoler og robotarmer, til nå å gjenopprette frivillig kontroll over lemmer.

"Ryggmargsskade forringer ofte følelsesfølelsen, så vel som evnen til å bevege seg," sa O'Doherty. "Å gjenopprette lemfølelser vil være et viktig element i nevroprosteser som tillater væske og naturlige bevegelser. "

" Det er fortsatt mange utfordringer å overvinne, men dette nye resultatet, kombinert med mange relaterte fremskritt innen trådløs teknologi, batteriteknologi, materialvitenskap og mer, gjør meg veldig optimistisk om nevroprostetiske enheter for å gjenopprette bevegelse og følelse blir allment tilgjengelig. "

Disse innovasjonene gir håp og potensial for bevegelsesgjenoppretting og økt uavhengighet til mange pasienter som lever med lammelse eller andre fysiske funksjonshemninger. Dr. Ali Rezai, Ohio State University Wexner Medical Center

Rezai sa at 12 000 personer i USA hvert år opprettholder en ryggskade og 300 000 lever med slike skader fra ulykker i motorvogner, traumer, sportsskader, og faller.

Mindre enn 1 prosent oppnår full gjenoppretting, og de fleste har underskudd som er avhengige av ulike hjelpemidler og adaptive teknologier for å gi en begrenset grad av uavhengighet.

"Disse innovasjonene gir håp og potensial for bevegelsesgjenoppretting og økt uavhengighet til mange pasienter som lever med lammelse eller andre fysiske funksjonshemninger," sa Rezai. "I tillegg til motorforbedringer har denne teknologien potensielle implikasjoner for de med sensoriske underskudd, kronisk smerte, tale, slag, kognitiv, angst og atferdsmessige konsekvenser. "

Rezai sa at han er håp om at snart de med fysiske, sensoriske, kognitive og andre funksjonshemninger vil få muligheten til å være mer funksjonelle, ha større selvstendighet og bedre livskvalitet.

"Vårt mål er å gjøre denne teknologien mindre invasiv, redusere størrelsen på enheten, miniatyrisere sensorene, gjøre systemet trådløst og gi systemet hjemme i stedet for i laboratoriet," sa han.

Case Western-teamet jobber også for å fremme systemet sitt teknologisk.

"Vi trenger å utvikle et trådløst hjernekobling for å erstatte kabelen som forbinder brukeren med et sett med innspillingsdatamaskiner," sa Ajiboye. "Vi må forbedre hjernen implantatet for lang levetid, for å øke antall neuroner vi kan registrere fra, og å utvikle et fullt implantert hjernen grensesnitt og funksjonelle elektriske stimuleringssystem. “