211service.com
Hjärnchips ger förlamade patienter nya krafter
Neuroforskare drömmer om att skapa neurala proteser som gör att förlamade patienter kan återta kontrollen över sina armar och ben. Även om det målet fortfarande är långt borta, rapporterar forskare vid Brown University och Massachusetts General Hospital ett lovande steg framåt.
Matthew Nagle, en 25-årig man som blev förlamad efter en knivsår 2001, var den första personen som testade en kirurgiskt implanterad elektroduppsättning. (Kredit: Joshua Paul.)
I en studie publicerad i tidskriften Natur den här veckan beskriver forskarna hur två förlamade patienter med en kirurgiskt implanterad neural enhet framgångsrikt kontrollerade en dator och, i ett fall, en robotarm – med bara deras sinnen.
[Klicka här för att se videor av patienten styra en datormarkör och a handprotes .]
Det är första gången sådana resultat har uppnåtts med neurala implantat hos människor. Forskarna förfinar nu det experimentella systemet till en kommersiell produkt – en som kan hjälpa patienter i deras dagliga liv. De planerar att göra enheten trådlös och helt implanterbar och att förbättra hastigheten och komplexiteten i rörelser som patienter som använder implantatet kan utföra.
Det är en landmärkestudie eftersom den visar att även år efter skada kan du fortfarande spela in användbara signaler från hjärnan och använda dem för att köra en enhet, säger Joseph Pancrazio , programdirektör för neural ingenjörsvetenskap vid National Institutes for Neurological Disorders and Stroke i Bethesda, MD. Den här gruppen har verkligen tänjt på gränsen.
Vid ryggmärgsskador och vissa typer av stroke störs informationsreläsystemet mellan hjärnan och musklerna. Neurala enheter, som den som används i studien, syftar till att spela in och bearbeta befintliga signaler och använda dem för att styra en datormarkör, robotarm eller till och med förlamad lem. Brown/MGH-forskarna implanterade först ett hjärnchip i en människa i juni 2004. Och även om det har funnits tecken på framgång sedan dess, Natur paper är den första peer-review-publikationen som i detalj beskriver vad förlamade patienter kan göra med implantatet. ( Teknikgranskning rapporterade om Donoghues arbete med Nagle förra året, i Implanting Hope, mars 2005.)
Hjärnan-datorgränssnittet som användes i studien, gjort av Cyberkinetik Neurotechnology Systems i Foxborough, MA, består av ett litet kiselchip som innehåller 100 elektroder som registrerar signaler från hundratals neuroner i den motoriska cortex. En datoralgoritm översätter sedan detta komplexa aktivitetsmönster till en signal som används för att styra en extern enhet.
Den första patienten som implanterades med enheten, en 25-årig man som blev förlamad efter en knivsår 2001, lärde sig framgångsrikt att styra en datormarkör, rörde sig skickligt genom ett e-postprogram och använde datorn för att sätta på en TV och byt kanal. När enheten kopplades till en robothand lärde han sig snabbt att styra handen, plocka upp och släppa en godisbit i en teknikers hand. Det var spännande eftersom han tog upp det väldigt snabbt – runt tio minuter, säger John Donoghue , senior forskare på projektet, grundare av Cyberkinetics och en neuroforskare vid Brown University i Providence, RI. (Klicka här för att se en video av patienten som styr en datormarkör och en handprotes.)
Två andra patienter i försöket, båda med olika typer av skador, lärde sig också att manipulera ett datorprogram, även om de ännu inte har provat robotarmen. Resultaten visar att det är möjligt att använda dessa enheter i en verklig miljö, men vi har en lång väg kvar att gå innan daglig användning, säger Donohue.
Neurovetenskapsmän har använt liknande anordningar i apor och andra djur i flera år, men Donohues försök är den första som testar kirurgiskt implanterade elektroduppsättningar hos mänskliga patienter. Det är ett stort steg att föra in den här tekniken i människor, säger Stephen Scott , en neuroforskare vid Queen's University i Kingston, Ontario, som skrev en kommentar som åtföljde tidningen. Detta var ganska framgångsrikt för ett första försök – patienterna visade några imponerande förmågor.
Även om resultaten är lovande, varnar experter för att tekniken är i ett tidigt skede. Detta är fortfarande långt ifrån en användbar enhet som faktiskt ökar livskvaliteten för denna patient, säger Andrew Schwartz , en neuroforskare vid University of Pittsburg som studerar liknande anordningar på djur. Samma teknik fungerar bättre hos apor, vilket tyder på att mer arbete måste göras för att designa inspelningselektroderna och mjukvarufiltren, säger han.
För närvarande är tillgängliga hjälpmedel för förlamade patienter, såsom datorprogram aktiverade av röst- eller ögonrörelser, beroende av en sekundär signal för att utföra kommandot, och kräver både en träningsperiod och en hög koncentrationsnivå. En implanterad enhet har potential att hjälpa patienter på ett mycket mer naturligt sätt. Den utnyttjar all information som hjärnan använder för att röra [musklerna], säger Donoghue. Eftersom det efterliknar hjärnans normala bearbetningssystem kan patienter styra en markör och prata samtidigt, säger han.
Donoghue och kollegor anpassar nu det experimentella systemet till en enhet för bredare användning. Det nuvarande systemet har ledningar som ansluter implantatet till en extern dator genom skallen, vilket medför risk för infektion. Forskarna planerar att miniatyrisera hårdvaran och göra den trådlös, så att hela systemet kan implanteras.
Teamet utvecklar också ny analysmjukvara, som de hoppas ska tillåta mer sofistikerade typer av rörelser. För närvarande kan patienterna navigera i ett e-postprogram eller göra grova rörelser med en robotarm; men de kan inte utföra mer komplexa uppgifter, som att använda robotarmen för att skriva på ett tangentbord eller för att äta en skål med soppa.
För att utföra sådana komplicerade rörelser måste forskare först skapa en bättre avkodare, algoritmen som tolkar hjärnans neurala signaler. När hjärnan förbereder sig för att flytta, säg, en hand från vänster till höger, eldar miljontals neuroner i hjärnans motoriska cortex på ett specifikt sätt. Forskarna genererar avkodaren genom att be patienter att föreställa sig att de flyttar sin hand i en cirkel, vilket får nervceller att skjuta som om den förlamade extremiteten rörde sig. Ett datorprogram registrerar och bearbetar sedan denna information, vilket i slutändan skapar ett filter som översätter efterföljande neuronaktivitet till önskade åtgärder.
Men filtret har fortfarande en mycket mer begränsad förmåga att översätta information än vad hjärnan har. Den använder data från hundratals neuroner snarare än miljoner och samlar in information från en enda del av hjärnan. Donohue och kollegor utvecklar nu olika typer av algoritmer för att se vilka som är mest anpassningsbara och utnyttja de tillgängliga neurala signalerna på bästa sätt.
Vi kan testa olika algoritmer och patienter kan berätta vilka som är lättast eller känns mest naturliga, säger Leigh Hochberg, neurolog vid Massachusetts General Hospital och huvudförfattare till studien. Jag misstänker att om vi kan fortsätta att förbättra avkodningen från bara ett litet område och kanske spela in från flera områden i hjärnan, kanske vi kan ytterligare förbättra mängden kontrollsystem som är tillgängliga för människor.
Andra forskare utvecklar också sätt att göra hjärnans gränssnitt mycket snabbare. För en patient kan det betyda skillnaden mellan att kämpa för att skriva ett e-postmeddelande och att skriva ett med liten ansträngning. Arbeta med primater, Krishna Shenoy och kollegor vid Stanford University i Stanford, CA, kunde fyrdubbla hastigheten för informationsöverföring med ett liknande implantat, men med inspelning från en annan del av hjärnan. För en människa skulle det översättas till att skriva 15 ord per minut istället för bara fyra.
Donoghue planerar så småningom att anpassa sitt system för att utföra en ännu större bedrift. Teamet samarbetar med forskare vid Case Western Reserve University i Cleveland, OH, för att skapa en enhet som använder signaler från hjärnan för att elektriskt stimulera förlamade muskler, vilket potentiellt tillåter patienter att röra sina lemmar.
Inte överraskande är det det här folk vill ha mest. När Donoghue frågade en patient om han skulle föredra att kunna göra sofistikerade rörelser med en armprotes eller grova rörelser med sin egen arm, valde han det senare. Tanken på att återuppliva sin egen kropp var mycket viktigare än hur sofistikerad rörelsen kunde vara, säger Donoghue.