Patient visar ny skicklighet med en sinneskontrollerad robotarm

En kvinna som är helt förlamad under nacken har återfått förmågan att nå ut och interagera med omvärlden tack vare det mest avancerade hjärn-datorgränssnittet för att manövrera en robotarm hittills.

I februari implanterade kirurger två elektroduppsättningar på fyra millimeter gånger fyra millimeter i deltagarens motoriska cortex, det område av hjärnan som initierar rörelser. Varje chip har 96 elektroder och är kopplad genom skallen till en dator som översätter hennes tankar till signaler för robotarmen. Arbetet, utfört av forskare från University of Pittsburgh, rapporteras i senaste numret av The Lancet .

Sinnekontroll: Jan Scheuermann driver en robotprotes med sina tankar, som registreras av elektroder i hennes hjärna och sedan tolkas av en dator.

Arbetet är det senaste framstegen för att visa hur hjärnkontrollerad gränssnittsteknik kan återställa en viss rörelse till quadriplegics. I maj i år beskrev forskare vid Brown University hur en förlamad patient kunde använda en robotlem för att utföra grundläggande uppgifter, inklusive att ge sig själv en drink kaffe (se Brain Chip Helps Quadriplegics Move Robotic Arms with Their Thoughts). Deltagaren i den nya studien har dubbelt så många elektroder i hjärnan som kvinnan i Brown-studien och kan visa mer komplexa handrörelser med sin robotlem.

Vi återger mer av en naturlig och realistisk rörelse av armen och handen, säger Andrew Schwartz , en neuroscientist vid University of Pittsburgh och senior författare på studien.

Vissa experter varnar dock för att det är svårt att dra slutsatser om teknikens potential från ett enskilt fall.

Miguel Nicolelis platshållarbild , en hjärna-maskin-gränssnittsforskare vid Duke University, noterar att inspelning från fler neuroner gör det möjligt att förbättra precisionen och komplexiteten i rörelserna hos anslutna enheter. Han tillägger dock att det är svårt att säga hur många neuroner Pittsburgh-teamet faktiskt spelade in från. Det finns lite dokumentation av hjärnans signal, säger Nicolelis på Lansett papper som beskriver arbetet. Det skulle vara riktigt bra om de hade nått 200-neuron-gränsen, men det verkar inte finnas någon dokumentation för det, säger han.

De Lansett studien beskriver kvinnans framsteg när hon manövrerade robotarmen under 13 veckor. Efter att elektroderna implanterats i hennes hjärna började hon sin träning med att se armen röra sig och inbilla sig att hon kontrollerade den. Hela tiden registrerade datorn neural aktivitet i hennes motoriska cortex, och denna information användes för att bättre avkoda hennes avsikter till robotarmens rörelser. Sedan började vi ge henne lite kontroll, säger Jennifer Collinger , en biomedicinsk ingenjör vid Pittsburgh och den första författaren till studien. Det genererar en återkopplingsslinga - hon kan se om det hon tänker rör armen i rätt riktning eller inte. Så småningom tog vi av de där träningshjulen och gav henne full kontroll.

Vid den andra användningsdagen kunde deltagaren röra armen i tre dimensioner på egen hand. Med övning kunde hon flytta kuber och andra föremål runt ett bord och till och med plocka upp en sten på två pund. Kvinnan fortsätter att arbeta med forskarna. Hon kunde nyligen plocka upp en bit choklad och mata sig själv, säger Schwartz.

Som en ryggmärg har robotarmen som används i studien viss förmåga att kontrollera sin egen rörelse. År av studier i primater om hur den motoriska cortex koordinerar handrörelser hjälpte teamet att utveckla tekniken som kunde översätta deltagarens tankar till mer flytande och naturliga rörelser, säger Gregoire Courtine , en neuroforskare vid det schweiziska federala tekniska institutet Lausanne i Schweiz.

När djur rör sig följer de vissa uppsättningar regler, och det visar sig att vi kan fånga upp det i de neurala signaler som vi registrerar från den motoriska cortexen, säger Schwartz.

Armen, som utvecklades under ett kontrakt från Defense Advanced Research Projects Agency, har 17 motorer som styr 26 leder i vad som är det mest sofistikerade konstgjorda lemsystemet i världen. Armen var designad för att kunna efterlikna en mänsklig lem, säger Michael McLoughlin, programledare för Modulärt projekt för proteser , som är baserat vid Johns Hopkins University i Maryland. Johns Hopkins-teamet har byggt sex av de robotiska lemmar som används av olika forskargrupper i USA, säger McLoughlin.

Ett avgörande nästa steg för Pittsburgh-teamet kommer att införliva sensorisk feedback i protesen. Armen har över 100 sensorer, säger McLoughlin, som kan detektera vibrationer, tryck, temperatur och mer. Teamet arbetar också med att utveckla en trådlös version av hjärn-maskin-gränssnittet så att deltagarna inte behöver ha elektronik som sticker ut ur huvudet.

Forskarna hoppas också kunna rekrytera fler deltagare för att arbeta med protesen, och att fortsätta förbättra tekniken så att laboratoriekonstigheten en dag kan översättas till terapeutisk användning, säger Schwartz.

Dölj