Implanterande hopp

Knäpp, knastrar, poppar. Jag lyssnar på en hjärna som pratar på ett språk som verkar oförståeligt, en kör av miljontals nervceller som skjuter, som låter i mitt öra som det elektriska ludd från en kortvågsradio mellan stationer. Sedan kommer en distinkt pop. Jag hör det igen: pop. Jag tittar på en video. Hjärnan i fråga tillhör en skäggig man som sitter i en stol. Offret för ett knivhugg för tre och ett halvt år sedan är han förlamad från nacken och nedåt. Ventilatorn som låter honom andas gurglar. Matthew Nagle, en 25-årig före detta fotbollsstjärna från Weymouth, MA, har en rund piedestal i titan som sticker ut en halv tum från hans huvud på höger sida nära kronan.

Den 4 juli 2001 blev Nagle inblandad i en närstrid vid Wessagussett Beach i Weymouth. Han minns bara att nävarna började flyga och att en vän var under attack. Någon ropade något om en kniv och Nagle blev mörkrädd. Senare samma kväll, när hans pappa, en polisdetektiv, fick ett samtal från polisen fick han veta att hans son troligen skulle dö. Det 20 centimeter långa bladet hade klippt av ryggraden i hans nacke och lämnat honom förlamad och i respirator. Nagle överlevde, men efter år av orörlighet och trötthet gick han med på att delta i en klinisk prövning för att avgöra om en människa säkert kunde manipulera en datormarkör med hjälp av ett hjärn-datorgränssnitt (BCI).

Fäst på piedestalen, kirurgiskt implanterad under Nagles skalle, är en rad elektroder på ett chip som gränsar till den del av hans hjärna som styr motorisk aktivitet. Chipet är lika stort som ett babyaspirin: dess 100 små hårtunna elektroder tar upp de elektriska signalerna som överförs av hjärnan, och varje elektrod fångar upp signaler från några närliggande neuroner. Som visas i en video som jag tittade på i slutet av förra året, skruvas en fyrkantig, grå plugg på piedestalen; kontakten är ansluten med kablar till en närliggande dator. När Nagles neuroner avfyras, läses och avkodas impulserna av programvara som kan tolka de elektriska pulserna av uppsättningar av neuroner. Datorn läser av Nagles tankar – eller åtminstone de poppar som registrerats av elektroderna – och dechiffrerar några enkla kommandon som talas på hjärnans elektriska språk.

Nagle sitter framför en handprotes. Ursprungligen designad för amputerade som skulle kontrollera den genom att rycka i musklerna i armstubbarna, har robotbenet kopplats till datorn och kommer att öppnas och stängas när Nagle föreställer sig att han öppnar och stänger sin egen vänstra hand. Nagle kan vara förlamad, men nervcellerna i hans storhjärna som styr motorisk aktivitet är ganska friska.

Knäpp, knastrar, poppar.

Jag hör en tekniker be Nagle att föreställa sig att han skulle använda sin hand. Han gör. Detta tänder de relevanta nervcellerna i hans motoriska cortex, vilket skapar en elektrisk signal som tas emot av de implanterade elektroderna och avkodas av datorn – en serie händelser som gör att den konstgjorda tummen och pekfingret öppnas och stängs.

Konsekvenserna för Nagle och andra som honom, instängda i felaktiga kroppar av skador eller degenerativa neurologiska sjukdomar, är underbara. Nagle är den första människan någonsin att operera en armprotes med bara sitt sinne. Under ett besök på hans rum på en vårdcentral söder om Boston, såg jag vidare Nagle använda en markör på en dator som gör att han kan skicka och ta emot e-post, spela enkla spel och kontrollera sin tv. Omgiven av fotografier av sina vänner och familj, och av hans veritabla helgedom för Boston Red Sox och deras seger 2004 i World Series, arbetade Nagle med teknikern Maryam Saleh när hon kalibrerade datorn till hans hjärna. Installationen är skrymmande, ungefär lika stor som en tvättmaskin, med två monitorer för teknikern och en för Nagle.

När jag såg honom var Nagle trött och lite knäpp, hans hantering av markören rudimentär. Han försökte fånga en animation av en liten påse pengar med markören. Jag kan inte få det idag, inte ens i närheten, klagade han.

Senare ställde Saleh upp datorn så att Nagle kunde byta kanal på en tv, och med ansträngning kunde Nagle byta kanal. Närvaron av en reporter kan ha varit en del av problemet den dagen. Forskaren som är huvudansvarig för Nagles enhet, neuroforskaren John Donoghue från Brown University, försäkrade mig att hans patient hade klarat sig mycket bättre tidigare. Nagle berättade för mig att han dagen innan mitt besök framgångsrikt hade manipulerat en mer avancerad armprotes med leder som möjliggjorde mänskliga rörelser. Det fungerade riktigt bra, säger Nagle. Jag kunde flytta runt det hela.

Det är uppmuntrande att systemet har fungerat så här bra, säger Leigh Hochberg, neurolog från Harvard University och expert på patienter med allvarliga motoriska funktionsnedsättningar. Hochberg är huvudutredare för U.S. Food and Drug Administration-studien som godkändes i april förra året för att testa implantaten på fem patienter. (Än så länge är Nagle den enda volontären för rättegången.)

För närvarande är tekniken väldigt rå. Datorn förstår bara en liten bråkdel av vad som händer i Nagles hjärna, där miljarder neuroner kan skjuta när som helst, med biljoner interaktioner. Ändå är implantatet ett viktigt steg, en neurologisk Rosetta-sten i historiens mest komplexa dechiffreringsprojekt, ett som kanske inte skulle slutföras på decennier, om någonsin.

Ett första steg
Nagle är inte den första människan att operera en implanterad BCI. I slutet av 1990-talet implanterade neuroforskaren Philip Kennedy, medgrundare och verkställande direktör för ett Atlanta-baserat neuroprotetikföretag, Neural Signals, elektroder i hjärnan på patienter. Men Kennedy implanterade bara två glaselektroder, så långt färre neurala signaler plockades upp än vad som är möjligt med Nagles array. Kennedys försökspersoner kunde bara flytta en markör upp och ner på en datorskärm. Donoghue hoppas kunna göra tekniken mycket mer funktionell. Förutom att vara professor i neurovetenskap vid Brown, är Donoghue medgrundare och chief scientific officer för Cyberkinetics Neurotechnology Systems i Foxborough, MA, som äger tekniken och driver försöket. Cyberkinetics hoppas kunna sälja sitt Braingate Neural Interface System inom fem år till patienter som lider av quadriplegi och andra försvagande tillstånd, inklusive vissa typer av stroke och amyotrofisk lateralskleros (Lou Gehrigs sjukdom), säger företagets vd och koncernchef Timothy Surgenor. Surgenor föreställer sig en version av Braingate som skulle tillåta patienter, med tankekraften ensam, att styra rullstolar utrustade med konstgjorda armar och händer, stänga persiennerna i ett soligt rum och utföra andra liknande uppgifter.

Idén att starta ett företag kom till Donoghue år 2000 under ett samtal med postdoc Nicholas Hatsopoulos. Ursprungligen, säger Hatsopoulos, som nu är biträdande professor i neuroanatomi vid University of Chicago, var forskningen enbart för att studera hur neuroner kontrollerar rörelser hos apor. Sedan, en dag i en hall i labbet, sa Donoghue, varför startar vi inte ett företag och tar det här till människor? Hatsopoulos gick lätt med på det. Sedan grundandet i maj 2001 har Cyberkinetics samlat in mer än 15 miljoner dollar och spenderat cirka 10 miljoner dollar, och det kommer att behöva 40 miljoner till 50 miljoner dollar mer för att fortsätta fungera under de kommande tre till fem åren, tills Braingate har godkänts och kan säljas. Enheten måste fortfarande strömlinjeformas och göras trådlös, säger Surgenor, och automatiseras så att Nagle och andra kan använda den på egen hand.

Forskarna som samarbetar med Donoghue på Brown och Cyberkinetics är bland många runt om i världen som arbetar med nästa generations neurala proteser – det vill säga protesanordningar animerade av mänskligt tänkande enbart. Donoghue säger att denna forskning en dag kan tillåta funktionshindrade att gå, och det kommer kanske att tillåta Nagle att använda sina egna händer igen, genom att komplettera ett skadat, organiskt nervsystem med ett fungerande cybernetiskt system. Sådana påståenden skulle ha verkat fantasifulla för bara några år sedan, men andra forskare finner dem rimliga. Det är en mycket stor möjlighet att vi kan göra det här, säger neuroforskaren Andrew Schwartz vid University of Pittsburgh.

Samtidigt är Schwartz dock skeptisk till att Donoghues nuvarande enhet fungerar lika bra som annonserad. Rörelserna de får är grova, säger han. Det är inte klart hur bra de mänskliga inspelningarna [av de neurala signalerna] är; de har inte berättat detta för oss än. Schwartz undrar också om att spela spel, skicka e-post och slå på tv:n verkligen kommer att förbättra patientens livskvalitet om inte patienten stängs in – det vill säga så totalt förlamad att han eller hon varken kan prata eller blinka och är därmed inte kan använda datorgränssnitt som är röst- och ögonaktiverade. För att göra nytta kommer det att behöva bli mycket bättre, att göra fler saker, säger han. Schwartz eget labb har utvecklat en BCI för apor som rör en arm med mänsklig räckvidd och skicklighet i ett tredimensionellt utrymme.

Neuroforskaren Miguel Nicolelis från Duke University, en annan expert inom området BCI, avfärdar Nagle-rättegången som ett jippo. Det finns andra proteser och gränssnitt som kan göra dessa saker, säger han. För att gå med kirurgisk ingrepp måste du göra något mer djupgående. Jag tror att de hoppade över ett par steg för att göra det här klart för människor. Elektroderna är till exempel känsliga för igensättning av organiskt material, säger han. För att fungera korrekt kan Nagles implantat behöva bytas ut kirurgiskt med jämna mellanrum. Nicolelis oroar sig för bakslag för fältet om något går fel, som en infektion efter operation. Nicolelis planerar att implantera sina egna sensorer i människor inom en snar framtid, men endast för akademisk forskning. Han är kritisk till Cyberkinetics kommersiella motiv: han fruktar att företaget är mer oroad över kontanter och främjande av sitt arbete än om att leverera den största nyttan för patienterna.

Andra neuroforskare stöder Donoghue. Jag tror att det är dags att göra detta på människor, säger Richard Andersen, en ledande neuroforskare vid California Institute of Technology som också är på väg att bedriva mänsklig forskning med hjälp av implanterade elektrodenheter som utvecklats av hans labb. Neuroforskaren Bill Heetderks, som ledde programmen för neurala proteser vid National Institute of Neurological Disorders and Stroke fram till 2003 och övervakade anslag till Donoghue, Nicolelis och andra stora forskare, påpekar att FDA godkände Cyberkinetics-försöken som säkra och lovande. Han säger att Donoghues experiment har besvarat en avgörande fråga som inte kunde ha besvarats i en djurstudie: skulle mänskliga motorneuroner fortfarande tändas som de skulle göra hos en frisk person efter långvarig förlamning av armar och ben? Det här var en viktig anledning att göra det här experimentet på en människa, säger han. Nu vet vi att cellerna fortfarande fungerar.

Donoghue säger att alla försiktighetsåtgärder vidtas för att skydda patienter men håller med om att Nagle inte kan utföra kommandon särskilt skickligt. Det är inte som en arbetsför person som kontrollerar en mus, säger han. Han hävdar att även en begränsad förmåga är bättre än ingen för en quadriplegic.

Till potentiella kritiker av Braingate säger Nagle: Låt dem komma ner och ta en titt. Tittar på sitt rum och sin orörliga kropp och säger: Det här är mitt liv. Jag anmälde mig frivilligt att göra detta.

Nagle säger att Braingate är till begränsad hjälp för honom nu eftersom han bara kan använda den när teknikern är där, och den måste kalibreras om varje gång. Hej, jag vill gå igen, eller för att kunna använda den här för att hantera min rullstol. Men det här är ett första steg. På frågan om han tror att Cyberkinetics kan ha rusat till tidiga försök på grund av dess kommersiella ambitioner, säger Nagle att han inte bryr sig. Jag tror att de behövde det här för att få finansiering, och tack och lov att de fick finansieringen. Om de kan [hjälpa mig] få den här rullstolen att gå och sälja [den förmågan till andra], så är jag helt för det.

Läsavsikt
Donoghues arbete förstås bäst i sammanhanget av den vetenskapliga ansträngningen att tolka och agera på neuronal aktivitet. Vissa forskare, som Donoghue, vill implantera elektroder för att snabbare fånga upp fler neurondata; andra är inte säkra på att implantat behövs. Men alla delar ett intresse av att förstå hur hjärnan kan arbeta med en dator för att skapa praktiska teknologier för en rad olika ändamål.

Orden från det neuronala språket kan höras i de elektriska spikarna i neuroner - även om vissa neuroforskare har föreslagit att skapa en BCI genom att övervaka bredare, djupare fält av hjärnaktivitet med hjälp av elektroencefalografi, vilket inte skulle kräva kirurgisk implantation av elektroder. EEG-sensorer har haft viss framgång, men de har bara producerat svaga signaler jämfört med implantat som fångar neuronala toppar.

En spik är toppen av en elektrisk överspänning, den aktionspotential som uppstår när en neuron aktiveras och skjuter. På en av monitorerna som visar Nagles hjärnaktivitet spelar dussintals aktionspotentialer ut i rader över skärmen när datorn sammanställer signaler från elektroderna i Nagles implantat, som var och en registrerar aktiviteten hos dussintals neuroner. När en neuron avfyras börjar linjen på monitorn att stiga i proportion till den elektriska vågen, och sedan, när den rör sig med en hastighet som är mer än 100 gånger snabbare än ett ögonblick, toppar den, vilket är det som orsakar popet. När neuronen har avfyrat, sjunker dess elektriska signal tillbaka, och utsignalen förblir antingen platt eller börjar sin uppstigning igen.

Neuroner, när de är aktiva, avfyrar mellan 20 och 200 gånger per sekund. Tidpunkten och placeringen av spikar i hjärnan, och interaktionen av flera spikar mellan neuroner, skapar de sammanhängande signalerna som omvandlas till muskelrörelser och alla andra utgångar från hjärnan.

Att förstå hur grupperingar av neuroner fungerar för motorisk aktivitet är relativt enkelt, säger Hatsopoulos, som hjälpte till att skriva algoritmerna för Braingate. När vi lär oss att läsa fler neuroner på en gång kommer det så småningom att berätta för oss hur högre hjärnfunktioner fungerar, såsom känslor och andra beteenden och tankeprocesser.

Genom att utföra mänskliga försök har Donoghue dragit före sina kollegor, även om andra forskare har planer för sina egna kliniska prövningar av neuroproteser kontrollerade med implanterade elektroder. I Atlanta har Kennedys företag fått godkännande från FDA för att testa enkel- och dubbelelektrodimplantat hos gravt funktionshindrade patienter. På Caltech har Andersens team börjat experimentera på människor som lider av epilepsi, med hjälp av hjärnimplantat kirurgiskt inbäddade i den prefrontala cortex (ett område som hjälper till att planera och utföra kroppsrörelser); implantaten känner av ett kommande anfall och utsätter små elektriska stötar för att stänga av det. Även om Andersen inte har några kommersiella planer för enheten, avser han att utöka de mänskliga testerna i kliniska prövningar.

Andersen utökar också sitt arbete med apor; han har implanterat sensorer i de högre fungerande områdena av en apas hjärna och dechiffrerat några av de elektriska signalerna varigenom apan planerar åtgärder och andra som verkar styra dess motivation att utföra en specifik bedrift. Vi har en skillnad i synsätt från Donoghues arbete, säger Andersen. Vi läser avsikter – medan Donoghue knackar på den motoriska delen av hjärnan. Apor med elektroder i endera hjärnregionen kan flytta markörer och enheter, säger Andersen.

Duke's Nicolelis har uppfunnit ett system som gör att en apa kan flytta en armprotes upp och ner för att leverera ett mellanmål. Nicolelis kopplade också upp sin apas hjärna till Internet och lät apan styra en robotarm 950 kilometer bort. Han har testat människor med djupa hjärnimplantat för att studera mönstren där deras neuroner skjuter när de klämmer bollar. Hittills har han spelat in utdata från upp till 50 celler och använder dessa elektriska data för att utforma algoritmer för att flytta en markör. Han studerar också hur nervceller i hjärnan anpassar sig till användningen av robotarmar och maskiner, eftersom nervceller ständigt modifieras genom förvärv av ny information och färdigheter.

Dessa typer av experiment utvecklar snabbt tekniken, vilket ger den mer och mer potential att hjälpa patienter. Vid University of Pittsburgh har Schwartz gjort experiment som gör det möjligt för apor att röra en konstgjord arm och hand mer flytande. Dessa enheter har samma rörelsegrader som en mänsklig arm och armbåge, säger han. Hans team vill testa sin arm på människor. Vi har en horisont på fem år, säger Schwartz, för att armen ska fungera bra hos människor.

Pinga! Pong!
Den bruna neurokirurgen Gerhard Friehs utförde Nagles implantatoperation på Rhode Island Hospital i Providence i juni 2004. Friehs är expert på att implantera neuroenheter som Activa hjärnstimulatorer för Parkinsonspatienter som kontrollerar muskelskakningar i samband med sjukdomen. På en plastmodell visade Friehs mig platsen där han borrade ett litet hål i Nagles skalle, ovanför regionen som styr vänster arm. Friehs satte sedan in implantatet med hjälp av en pneumatisk insättare, en anordning som han säger är som en häftpistol som skjuter elektroduppsättningen på hjärnan.

Nagle sattes först under allmän narkos, även om Friehs säger att det i framtiden kanske inte är nödvändigt. Tekniker använde sedan magnetisk resonanstomografi (MRT) av Nagles hjärna för att lokalisera det motoriska cortexområdet som är specifikt för hans anatomi. I operationssalen använde Friehs MR-data för att vägleda honom till de exakta koordinaterna i Nagles hjärna och satte sedan fart på en höghastighetsborr för att ta bort en skallecirkel av en halv dollar. Friehs satte in elektrodchippet på fyra gånger fyra millimeter, ledningarna och piedestalen och bytte ut skallebiten. Total drifttid: cirka fyra timmar.

Sex veckor senare, efter att Nagles sår hade läkt och det omedelbara hotet om infektion var över, förberedde sig forskarna för att testa Braingate. Cyberkinetikteknikern Abraham Caplan, som gör hembesök med Saleh för att driva Braingate två eller tre gånger i veckan på vårdcentralen där Nagle bor, minns första gången de kopplade in Nagle, i augusti 2004. På videon från denna invigning experiment, Nagle sitter i sin stol och Saleh ber honom att föreställa sig att han flyttar sin hand åt vänster. Datorn sänder snaps och pops av signalerna som rasar över dess skärm, medan den läser hjärnans chatt i realtid, vilket det korrekt översätter till en markör som rör sig åt vänster på Nagles skärm. Inte illa, man, säger Nagle, inte illa.

Strax efter kunde Nagle, med övning, rita en grov cirkel på skärmen med sitt sinne, och han gick vidare till att spela Pong och lärde sig att flytta markören till klickkommandon som styr hans TV, slå på och av den, ändra stationer och justera volymen. Det är som att cykla, säger Donoghue. Först är han vinglig, han överstyrer och sedan rider han plötsligt. Nagle kan prata och använda datorn samtidigt, precis som en frisk person kan sjunga en sång och gå. Det här är viktigt, eftersom han inte aktivt behöver tänka på att flytta händerna åt vänster eller höger, säger Donoghue. Han tänker bara på att flytta markören och den rör sig.

För att förstå vad Braingate betyder för Nagle besöker jag Leigh Hochberg, Harvard-neurologen. Hochberg, som är konsult vid Spaulding Rehabilitation Hospital i Boston, arbetar med patienter som har drabbats av stroke eller allvarliga ryggmärgsskador. Han visar mig Assisted Technology Groups rum i Spaulding, dit quadriplegic och andra gravt funktionshindrade patienter kommer för att styra datorer och andra maskiner med hjälp av enheter kopplade till ögonlock eller läppar eller tungor, vad de än kan röra sig. För dem som inte har några muskelrörelser spårar speciella kameror pupillrörelser, som patienter har lärt sig att kontrollera för att manövrera markörer. Andra andas in och andas ut genom ett sugrör för att flytta en rullstol.

Hochberg är chefsutredare för Cyberkinetics FDA-studien på Spaulding; detta var den andra platsen som valdes för rättegången, efter Sargent Rehabilitation Center i Warwick, RI, basen för Nagles rättegång. Hochberg och samutredare Joel Stein, Spauldings medicinska chef för strokeprogrammet, har börjat rekrytera patienter för att fylla de utrymmen som är tillåtna enligt FDA-licensen. Surgenor vill också öppna en annan klinisk prövningsplats, möjligen i Mellanvästern. Detta kommer att bli ännu viktigare om FDA godkänner humana fas II-studier, som skulle involvera upp till flera dussin patienter.

Jag tror att vi på kort sikt inte letar efter ett botemedel mot ryggmärgsskada, säger Stein, som ändå tror att Braingate på lång sikt kommer att visa sig användbart för patienter med vissa typer av motoriska skador. Vi vill inte översälja detta till våra patienter, men potentialen i framtiden är stor.

Tankens färg
Vid Brown University träffade jag datorexperten Michael Black, en alumn från det berömda Xerox Palo Alto Research Center i Kalifornien. Black är mest känd för att ha försökt skapa maskiner som kan se, även om han också har forskat om hjärn-dator-gränssnitt. Black såldes snabbt på de möjliga fördelarna med Braingate och tog på sig uppgiften att skapa förbättrade algoritmer för att dechiffrera neuronala spikar. I teorin skulle bättre dechiffrering möjliggöra finare motorkontroll. Han visade mig några diagram med färgade pixlar som han utvecklade för att visualisera vad som händer när en neuron avfyras. Varje diagram visar en neurons aktivitet över en rad handrörelser. Diagrammet är blått där neuronen är inaktiv och skuggad lila, orange och sedan röd där den blir upphetsad och spikar snabbt. (Till exempel betyder ett blått fält med en klar röd fläck i det övre högra hörnet att denna neuron blir aktiv när apans hand rör sig uppåt och åt höger.) Dessa rutnät berättar för Black om skjutmönster för en neuron, som han kan modellera att tala om för en dator att ett givet tankekommando inträffar och att den bör vidta lämpliga åtgärder. Nyckeln till att skapa dessa modeller, säger han, är hjärnans nervcellers fantastiska tendens att skjuta i relativt konsekventa mönster – tillräckligt konsekventa för att en dator kan tolka dem korrekt.

I en byggnad tvärs över Browns campus pratade jag med en annan medlem av Donoghues team, Arto Nurmikko, en finländsk elektriker och fysiker känd för sina upptäckter inom laseroptik och halvledare. Han och Donoghue arbetar för att förenkla Braingate och ersätta titanpiedestalen och den skrymmande hårdvaran i prototypen med ett mycket mindre internt system som skulle ansluta implantatet till en hårtunn fiberoptisk kabel som skulle löpa under huden på patienten. Den fiberoptiska kabeln skulle mata signaler från hjärnan till en processor storleken på en pacemaker, som skulle implanteras i bröstet.

Tekniken kommer att ta ett tag att utveckla. Men Nurmikko säger att i detta nästa generationssystem skulle kommunikationen mellan hjärnan och maskinen vara tvåvägs, med sensorisk information från en robotlem som skickas tillbaka in i hjärnan, precis som hos en frisk person. När en patient sträcker sig efter ett glas vatten, till exempel, skulle sådan neural feedback hjälpa hjärnan och datorn att beräkna den ansträngning som krävs för att ta upp den.

Väntar på hjälp
Kommer dessa enheter att förbättra människors liv? Nagle själv säger att Braingate, åtminstone i sin nuvarande form, bara är marginellt till hjälp för honom. Det här gjordes för att se om jag kunde flytta en markör med tanke, säger han, och det gjorde jag på ungefär tre minuter. Men Nagle påpekar kraftfullt att han inte gjorde mycket av någonting tidigare. Jag satt här sju dagar i veckan utan att göra något, så jag sa, 'Varför inte?'

Enligt FDA-protokollet ska studien som involverar Nagle pågå i ett år. Jag måste bestämma mig nästa juni om jag vill ta bort det här. Jag är inte säker på att jag kommer att fortsätta. Jag kanske vill vänta tills de har en som är mindre och lättare att använda. Jag frågar honom om han tror att han kommer att gå igen, och han säger att det är vad han är verkligen väntar på.

David Ewing Duncans nästa bok, Genetikern som spelade ringar med mitt DNA och andra hjärnor från bioteknikens gränser , kommer ut i maj.

Dölj