211service.com
Omkoppla hjärnan
Ett par delvis förlamade apor återfick förmågan att röra sina handleder när forskare kopplade individuella neuroner direkt till apans armmuskler, enligt en studie publicerad online i Natur på onsdag.
Flytta en muskel: Förlamade apor återfick förmågan att röra sina handleder när deras nervsystem kopplades om. Genom att koppla hjärnceller direkt till muskelceller via en dator som översätter hjärnaktivitet till ett elektriskt stöt, kringgick forskarna den felaktiga anslutningen så att aporna kunde flytta sina tidigare förlamade handleder för att manipulera en markör till en skärmruta.
Detta tillvägagångssätt skulle vara mycket relevant för patienter med ryggmärgsskada, säger Northwestern University hjärnforskare Lee Miller , som inte var involverad i arbetet.
Forskarna, med ledning av Eberhard Fetz , professor i fysiologi och biofysik vid University of Washington , tillfälligt förlamade varje apas arm. Sedan omdirigerade de hjärnsignaler runt den blockerade nervbanan genom att dra ledningar från en enda neuron i den motoriska cortex - hjärnområdet som ansvarar för rörelse - genom en dator och in i en muskel i armen. När neuronen avfyrade över en viss hastighet, översatte datorn signalen till ett ryck av elektricitet till armmuskeln, vilket fick den att dra ihop sig.
Som ett test av omkopplingen lät forskarna varje apa spela ett enkelt videospel. Genom att flytta sin handled kunde apan manipulera en markör på en datorskärm. Att flytta markören till en ruta vid sidan av skärmen gav apan en belöning. Även om den omkopplade hjärncellen valdes slumpmässigt, lärde sig aporna snabbt att röra sina förlamade handleder.
Vi fann, anmärkningsvärt nog, att nästan varje neuron som vi testade i hjärnan kunde användas för att kontrollera denna typ av stimulering, säger Chet Moritz, senior forskare vid University of Washington och medförfattare till tidningen. Även neuroner som inte var relaterade till handledens rörelse innan nervblocket kunde bringas under kontroll och samordnas.
Normalt skulle armrörelser – även sammandragningen av en enarmsmuskel – inte vara resultatet av avfyrningen av en enda neuron utan från den samordnade verkan av många neuroner i den motoriska cortex. Dessa neuroner skulle initiera en elektrisk signal som fortplantade sig ner i ryggmärgen och genom perifera nerver för att utlösa armrörelser skräddarsydda för apans avsikt.
Andra grupper har spelat in dessa komplexa neuronavfyrande mönster och använt datoralgoritmer för att omsätta dem till handling – till exempel genom att flytta en datormarkör. Istället kopplade University of Washington-gruppen en enda neuron till en enda muskel. Vårt tillvägagångssätt är att skapa den råa anslutningen mellan enskilda neuroner i hjärnan och muskler, eller grupper av muskler, och låta apan lära sig hur man använder den anslutningen.
Att använda en enda neuron har sina fördelar, säger Moritz. Att översätta en cells avfyrningshastighet till en elektrisk stöt är en enkel beräkning, lätt att utföra med en enhet som är lika stor som en mobiltelefon. Att översätta samtidiga mätningar till en serie koordinerade muskelrörelser kräver mycket mer datorkraft.
Men för att metoden med singelneuron ska vara användbar för en förlamad patient måste den framgångsrikt skalas upp. Att dra ihop en armmuskel ger liten praktisk belöning; rörelser som att nå och greppa kräver många muskler för att arbeta tillsammans. Forskarna har redan tagit steg i denna riktning. Först visade de att en enda cell kunde arbeta med två olika muskler: en hög avfyringshastighet fick handleden att böjas, medan en låg avfyringshastighet fick den att sträcka sig. Därefter kopplade de upp två omdirigerade anslutningar samtidigt, med en neuron kopplad till den handledsförlängande muskeln och en annan till den handledsböjande muskeln.
Men Andrew Schwartz , professor i neurobiologi vid University of Pittsburgh , är skeptisk. En rörlig arm, säger Schwartz, är ett mycket komplicerat mekaniskt system. Varje given sofistikerad armrörelse kräver inte bara ett stort antal exakt koordinerade muskler som verkar över flera komplexa leder, utan också utbredning av krafter längs lemmen. Om din avsikt är att generera en rörelse måste du på något sätt beräkna effekten av alla dessa krafter över armen, säger Schwartz. Det är inte bara, 'Aktivera en muskel och armen går dit du vill.' Det är mycket matematik inblandat.
Enligt University of Washington-gruppen kan det vara möjligt att kringgå frågan om hur man genererar invecklade rörelser genom att koppla en enskild hjärncell direkt till en specifik region av ryggmärgen . Att stimulera en enda plats i ryggmärgen kommer ofta att aktivera 10 till 15 olika muskler i en exakt balans, säger Moritz.
Utöver eventuella teoretiska brister i singelneuronstrategin finns det ett antal tekniska hinder att övervinna innan den kan användas på patienter. Elektrodavläsningar från en enskild hjärncell kan försämras med tiden, vilket potentiellt förstör den omdirigerade anslutningen. Som ett resultat, säger Moritz, skulle varje långsiktig installation behöva en viss grad av redundans.
Dessutom, tillägger han, skulle systemet helst vara fullt implanterbart. Närhelst trådar sticker ut genom huden, som de gjorde i apexperimenten, introducerar de risker för infektion och störningar. Gruppen planerar att ta itu med detta problem med miniatyriserade komponenter och trådlös teknologi.
Eftersom deras tillvägagångssätt kräver relativt lite datorkraft, säger Moritz, tror vi att vi kan vara ett steg närmare lågeffekts fullt implanterbara system.