211service.com
Uppvaknande förlamade lemmar
En apa med en förlamad arm kan fortfarande greppa en boll, tack vare ett nytt system utformat för att översätta hjärnans signaler till komplexa muskelrörelser i realtid. Forskningen, som presenterades på Society for Neuroscience-konferens i Chicago denna vecka, kunde en dag tillåta personer med ryggmärgsskada att kontrollera sina egna lemmar.
Apa tänker, apa gör: Genom att översätta elektriska signaler från en apas hjärna till muskelsammandragningar via implanterade elektroder kunde ett djur med en förlamad arm greppa en boll.
Det här är ett stort steg framåt – de visar att apan använder förmågan att artificiellt dra ihop sin hand för att faktiskt plocka upp en boll, säger Krishna Shenoy , en neuroforskare vid Stanford University. Jag tror att det är den första demonstrationen av ett kortikalt kontrollerat elektriskt stimuleringssystem som utför en uppgift som i slutändan skulle vara användbar för en mänsklig patient.
Medan ryggmärgsskada hindrar hjärnans elektriska signaler från att nå muskler, har människor som är förlamade av dessa skador ofta intakta nerver och muskler i sina lemmar. En teknik som kallas funktionell elektrisk stimulering (FES), där implanterade elektroder levererar elektrisk ström för att utlösa muskelsammandragningar, ger ett sätt att återansluta denna loop.
Enheter som kan återställa handfunktionen och urinblåsan för vissa förlamade patienter har redan godkänts av U.S. Food and Drug Administration. Patienter använder kvarvarande muskelrörelser för att medvetet kontrollera dessa system – ett system som fungerar bra för vissa applikationer men begränsar komplexiteten i rörelsen som kan utföras. Till exempel tillåter en FES-enhet människor att rycka på axeln för att utlösa en grepprörelse med handen, men de kan inte kontrollera hur hårt de ska greppa.
Nu, genom att para FES-teknik med hjärnimplantat, försöker forskare skapa ett mer intuitivt system för att kontrollera förlamade lemmar, så att tanken på att röra en arm eller greppa med en hand automatiskt skulle översättas till mönstret av elektrisk aktivitet som behövs för att utföra det rörelse. Det är mycket mer naturligt, och om du kan avkoda aktivitet i tillräckligt många muskler kan du flytta flera leder samtidigt, säger Robert Kirsch , en neuroforskare vid Case Western Reserve University, i Cleveland, OH. Normal hand- och armrörelse involverar flytande rörelse av flera leder, snarare än de begränsade rörelserna som är möjliga idag.
Christian Ethier, forskare inom neurovetare Lee Millers lab vid Northwestern University i Chicago, har visat de första stegen mot denna typ av system hos apor. Forskare gav varje apa en lokalbedövning för att tillfälligt blockera funktionen hos böjnerverna i armen. Djuren fick ledningar implanterade i sina armar för att ge elektrisk stimulans till musklerna, ungefär som nerver skulle göra, och en rad elektroder implanterade i hjärnan för att registrera elektrisk aktivitet från den motoriska cortex.
Aporna tränades först att plocka upp en boll och lägga den i ett hål för att få en belöning. Med hjälp av hjärnaktivitet som registrerades under denna uppgift utvecklade forskarna specialiserade avkodaralgoritmer som skulle översätta hjärnaktivitet kopplad till olika musklers rörelser till en elektrisk stimulans för var och en av fem flexormuskler i armen i realtid, vilket gör att apan kan greppa sin hand . Vi kan förutsäga vad apan försöker göra med sina muskler och stimulera musklerna i enlighet därmed, i huvudsak ge apan frivillig kontroll genom datorn istället för sina nerver, säger Miller.
Normalt, med den förlamade armen, hade djuren svårt att slutföra uppgiften, att få in bollen i målet endast cirka 10 procent av tiden, jämfört med 100 procent före nervblocket. Att slå på det hjärnkontrollerade FES-systemet ökade de förlamade djurens framgångsfrekvens till 77 procent. Forskarna visade också att de kunde få apan att röra sin handled i olika riktningar – de vill nu se om de kan upprepa resultaten med de muskler som styr räckvidden.
Mänskliga tester kanske inte är långt borta. Kortikala implantat testas redan på mänskliga patienter. Case Westerns Kirsch presenterade forskning vid konferensen som visade att en förlamad patient med ett kortikalt implantat kunde kontrollera en sofistikerad datormodell av en arm. Kirsch och Miller har ännu inte en specifik tidslinje för att sätta ihop de två systemen – det kortikala implantatet och FES-implantatet – i människor, men Miller säger att det skulle vara tekniskt genomförbart om ett år. De vill dock vänta tills forskarna har utvecklat en trådlös och fullt implanterbar version av det kortikala implantatet, som nu är underutvecklat vid Brown University. Nuvarande implantat har utskjutande trådar som ökar risken för infektion och begränsar patienternas rörlighet.
Tidigare forskning har visat att patienter med dessa implantat kan styra en datormarkör och göra vissa rörelser med en robotarm. Även om den forskningen är spännande för människor vars lemmar har amputerats, är den nya forskningen tillämplig på patienter med ryggmärgsskada. Många skulle starkt föredra att få sin arm återupplivad på något sätt, säger Shenoy. Detta är ett stort steg framåt för den patientpopulationen.