Paraliż i operacja Brain Bypass Surgery
Spisu treści:
Przełomowe odkrycia w technologii interfejsu komputer-mózg mogą dać nadzieję na przezwyciężenie paraliżu.
W najnowszym postępowaniu człowiek z porażeniem czterokończynowym, który był sparaliżowany osiem lat temu, odzyskał funkcjonalny ruch ramienia.
ReklamaReklama Karmił się swoją ręką, używając tej technologii, pierwszej w historii medycyny.
Naukowcy z Case Western Reserve University w Ohio ogłosili swoje odkrycie 28 marca w brytyjskim czasopiśmie medycznym The Lancet.
Ogłoszenie Case Western nastąpiło dzień po tym, jak przedsiębiorca Elon Musk (z firmy Tesla Electric and Space Space), firma rakietowa, ujawnił plany opracowania podobnej technologii.
Ogłoszenie"Koronka nerwowa" według "The Wall Street Journal" Muska łączy mózg osoby bezpośrednio z komputerem.
Tymczasem naukowcy z Ohio State University (OSU) pracują z pacjentem z paraliżem i opracowali technologię podobną do tej w Case Western.
Zespół OSU rozwija technologię razem z naukowcami z Battelle Memorial Institute, organizacji non-profit z Ohio, która produkuje urządzenia medyczne.
Dowiedz się więcej: Egzoszkielety pomagają ludziom z paraliżem chodzić ponownie.
Dekodowanie sygnałów mózgowych
Naukowcy z Case Western pracowali z Billem Kocarvarem, 53-letnim pacjentem z porażeniem czterokończynowym, który odniósł obrażenia w wyniku wypadku na rowerze.
Naukowcy wszczepili neuroprotezy, która odkodowała jego sygnały mózgowe i przesłała je do czujników w ramieniu, co pomogło mu odzyskać ruch w ręce i ramieniu.
Dr Robert Kirsch, przewodniczący Case Western Departament Inżynierii Biomedycznej, dyrektor wykonawczy uniwersyteckiego Centrum Funkcjonalnej Elektrycznej Stymulacji (FES), jest starszym autorem badań.
ReklamaReklama Nazwał przełomowym poważnym krokiem.
"Pokazaliśmy wykonalność nagrywania czyjegoś intencji ruchu, a następnie własnymi rękami wykonujemy te ruchy," powiedział.
Myśli tylko o przesunięciu ramienia i ruchy ręki zgodnie z zamierzeniami. Bolu Ajiboye, Uniwersytet Case Western ReserveWspółpracownik Kirscha, dr Bolu Ajiboye, adiunkt w inżynierii biomedycznej w Case Western, i pracownik naukowy w Louis Stokes Cleveland Veterans Administration Medical Center, wyjaśnił, jak działa ta technologia.
Ogłoszenie"Normalny ruch u osób niewykwalifikowanych występuje, ponieważ kora ruchowa generuje polecenie ruchu, reprezentowane jako sygnały elektryczne, które są przekazywane przez rdzeń kręgowy, a następnie aktywuje odpowiednie mięśnie", powiedział Ajiboye Healthline.
Uraz rdzenia kręgowego uniemożliwia dotarcie impulsów elektrycznych do mięśni, wyjaśnił, ale oryginalne polecenie ruchu jest nadal poprawnie zakodowane w mózgowych wzorach aktywności elektrycznej.
ReklamaReklama "Nasz system rejestruje wzór aktywności elektrycznej poprzez implant mózgu i używa algorytmów matematycznych do dekodowania go w poleceniu ruchu, które jest przeznaczone dla osoby z paraliżem. To polecenie jest przekształcane na wzór stymulacji elektrycznej, który jest stosowany w prawej grupie mięśni, aby wytworzyć ruch. Panu Kochevarowi proces jest płynny i niewidoczny. W jego słowach mówi, że myśli tylko o przesunięciu ramienia, a ręka porusza się zgodnie z planem. "
Ajiboye wskazał także, czym ta nowa technologia nie jest.
Nauka wielokrotnie próbowała "naprawić" uszkodzony kręgosłup poprzez inżynierię tkankową i odrastać bez powodzenia, powiedział.
Ogłoszenie"Chcielibyśmy, aby naukowcy znaleźli sposób na odrodzenie i ponowne połączenie rdzenia kręgowego za pomocą terapii komórkowej" - powiedział Ajiboye. "Jednak nasze obecne podejście wykorzystuje technologię do obchodzenia urazu kręgosłupa, aby uzyskać sygnały ruchu z mózgu do odpowiedniego zestawu mięśni, aby wytworzyć ruch. "
Inne technologie, które pomagają ludziom z porażeniem w odzyskaniu funkcji, są zwykle ograniczone do urządzeń, którymi mogą sterować za pomocą głosu i ruchów gałek ocznych lub przesuwając głowy.
ReklamaReklama Jednak żadne z tych urządzeń nie pozwala kontrolować własnej kończyny.
"Nasze urządzenie pozwala użytkownikowi poruszać własną kończyną tylko przez myślenie" - wyjaśnił Ajiboye. "Chcę wyjaśnić, że nasz system omija uraz kręgosłupa, a nie odwraca paraliż. Bez systemu użytkownik nadal byłby sparaliżowany i nie ma dowodów sugerujących, że zastosowanie tego systemu może ostatecznie doprowadzić do odrastania kręgosłupa lub przywrócić możliwość poruszania się bez systemu. "
Przeczytaj więcej: Implant pomaga ludziom z porażeniem wrócić do korzystania z ich kończyn»
Jak działa technologia
Dlaczego technologia Case Western jest wyjątkowa?
System jako pierwszy stosuje interfejs komputerowy mózg-implant z systemem FES do elektrycznego aktywowania sparaliżowanych mięśni.
Wcześniej naukowcy traktowali pewną liczbę osób z paraliżem, ale z tylko jednym podejściem lub drugim.
Kochevar jest pierwszą osobą, która doświadczyła tej połączonej technologii.
Ajiboye powiedział, że wiele grup badawczych wykorzystało system interfejsu mózgu z ludźmi oraz z naczelnymi nie będącymi ludźmi. Obie grupy testowe były w stanie wykonywać zadania, takie jak przesuwanie kursorów na ekranie komputera lub przenoszenie ramion robotów.
"Nasze centrum FES od 25 do 30 lat wszczepiało systemy FES osobom z urazami rdzenia kręgowego, aby przywrócić wiele funkcji, w tym ruchy stojące, chodzące, oddechowe i ruchy rąk i ramion" - powiedział.
Kochevar dołączył do projektu badawczego Case Western w 2014 roku. Otrzymał implanty mózgowe w grudniu tego roku.W 2015 roku Kirsch, Ajiboye i ich współpracownicy wszczepili elektrody w mięśnie jego ręki i ręki.
Kochevar nauczył się aktywować swoje sygnały mózgowe, aby sterować różnymi urządzeniami.
"Najpierw oglądaliśmy wirtualny ruch ramienia na ekranie komputera, podczas gdy on jednocześnie wyobrażał sobie, że wykonuje te same ruchy własnymi rękami" - powiedział Ajiboye. "To generuje wzorce aktywności nerwowej. Następnie opracowaliśmy dekoder neuronowy, algorytm matematyczny, który powiązał wygenerowane wzorce aktywności neuronów z aspektami wirtualnych ruchów ramion. "
Następnie, Kochevar kontrolował wirtualne ramię, generując wzorce sygnałów mózgowych, które zostały następnie zinterpretowane przez dekoder neuronowy, powiedział Ajiboye.
Kochevar trenował, aby precyzyjnie przenieść wirtualne ramię do określonych celów w obszarze roboczym. Naukowcy określili ilość kontroli mózgu nad wirtualnym ramieniem i odkryli, że był w stanie kontrolować go niemal natychmiast, powiedział Ajiboye. Ponadto Kochevar stosunkowo szybko osiągnął wskaźnik sukcesu od 95 do 100 procent dokładności docelowej.
Na koniec, naukowcy próbowali przenieść rękę przez stymulację FES w dwuetapowym procesie.
"Ręcznie przestawiliśmy jego ramię (poprzez stymulację elektryczną) i poinstruowaliśmy go, aby wyobraził sobie, że kontroluje ruchy jego ręki", powiedział Ajiboye. "Znowu pomogło to wygenerować pożądane wzorce aktywności neuronów, które wykorzystaliśmy do zbudowania i udoskonalenia naszego dekodera neuronowego. Kazaliśmy mu używać ostatecznego dekodera neuronowego do sterowania ruchami jego własnej ręki, reanimowanej przez stymulację elektryczną. Był w stanie natychmiast przesunąć rękę zgodnie z potrzebami i stopniowo stawał się lepszy przy zwiększonym użyciu. "
W filmie wydanym przez Case Western, Kochevar powiedział:" To było niesamowite, ponieważ myślałem o poruszeniu moim ramieniem i tak się stało. Mógłbym go przenosić i wysuwać, w górę iw dół. "
Ponieważ Kochevar miał długotrwały paraliż, jego mięśnie były początkowo słabe i łatwe do zniesienia. Powiedział Ajiboye.
Aby zbudować siłę mięśni i odporność na zmęczenie, zespół "ćwiczył" swoje mięśnie przez kilka godzin dziennie za pomocą elektrycznej stymulacji bez systemu interfejsu mózgu.
Z biegiem czasu to stymulowane elektrycznie ćwiczenia zwiększyły jego siłę mięśniową i zdolność do dłuższego korzystania z systemu bez zmęczenia.
Dowiedz się więcej: Człowiek odzyskuje zdolność chodzenia używając własnych fal mózgowych »
Interfejsy mózg-komputer
Podobnie jak innowacje w przypadku Zachodu, innowacja Ohio State pomogła człowiekowi z czteropłatem w posługiwaniu się ręką po latach paraliżu.
Zespół badawczy kierował dr Ali Rezai, profesor neurochirurgii i neuronauki oraz dyrektor Centrum Neuromodulacji w uniwersyteckim centrum medycznym Wexner.
Pacjent, Ian Burkhart, doznał poważnego urazu rdzenia kręgowego w wieku 19 lat podczas wypadku nurkowego. Pozostawiał go z niewielką funkcją i ruchem na ramionach i bicepsach, bez ruchu od łokcia do rąk.
"Nasz zespół opracował technologię interfejsu mózg-komputer, która omija uszkodzony rdzeń kręgowy, umożliwiając pacjentowi, na przykład Ian z urazem rdzenia kręgowego i czteropłatności, bez funkcji rąk przez pięć lat, aby po prostu użyć swoich myśli, aby przesunąć jego ręka bez życia, by ożyć i pod jego wolicjonalną kontrolą - powiedział Rezai do Healthline.
W kwietniu 2014 Rezai wszczepił mikroukład wielkości gumki od ołówka na powierzchni kory ruchowej mózgu Burkharta. 96 mikroelektrod mikroukładu zarejestrowało ostrzał poszczególnych neuronów.
Rezai i jego współpracownicy opracowali system neuronowego obejścia, który rejestruje i analizuje aktywność mózgu, która ma miejsce, gdy Burkhart zamierza przesunąć rękę.
Po obejściu uszkodzonego rdzenia kręgowego i uszkodzeniu połączenia od mózgu do nerwów mięśniowych, system łączy sygnał mózgowy Burkharta z zewnętrznym rękawem odzieżowym, powiedział Rezai.
To pozwala Burkhartowi przesuwać rękę.
"Implant mózgowy rejestruje i interpretuje sygnały mózgowe związane z myślami i łączy je z zewnętrzną, poręczną częścią ubioru, aby kontrolować jego mięśnie" - wyjaśnia Rezai. "To system stymulacji nerwowo-mięśniowej. Myśli związane z chęcią poruszania się - na przykład otwarciem ręki - są połączone i łączone w ciągu milisekund do faktycznego ruchu ręki. "
Pierwsza generacja zewnętrznego, nadającego się do noszenia ubioru i układu stymulującego", powiedział, ma do 160 stymulujących elektrod "składających się z super elastycznego hydrożelu - wysokorozdzielczej matrycy elektrod o wysokiej rozdzielczości, które odpowiadają różnym kształtom i kontury, takie jak przedramię. "
Ubranie można uformować w rękaw, rękawicę, skarpety, spodnie, pasek, opaskę na głowę i inne elementy.
"Niezbędna jest znaczna złożoność i koordynacja, aby umożliwić ruchy w sposób płynny, aby podnieść mieszadło, aby wymieszać kawę, użyć szczoteczki do zębów lub zagrać w grę wideo" - powiedział. "Ten algorytm uczenia maszynowego poprawia i udoskonala ruchy od szorstkich i niepewnych ruchów po bardziej płynne i płynne ruchy. "
Przeczytaj więcej: Bioniczna technologia, która pomaga przywrócić kontrolę mięśni»
Optymizm na przyszłość
Neuronaukowcy obserwujący ostatnie przełomy są pod wrażeniem i optymistą.
Dr Joseph O'Doherty, starszy doktor habilitowany w laboratorium Philip Sabes na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco, Center for Integrative Neuroscience, nazywa te przełomowe osiągnięcia w dziedzinie technologii interfejsu komputer-mózg. "
" Te badania pokazują, że sparaliżowane kończyny mogą być reanimowane - samą myślą - w celu przywrócenia skoordynowanych, wielostawowych ruchów ważnych dla codziennego życia: sięgania, chwytania, jedzenia i picia ", powiedział Healthline. "Jest to demonstracyjna demonstracja, która stwarza możliwość, że podobne metody leczenia wkrótce znajdą zastosowanie poza kliniką. "
Naukowcy pracowali nad interfejsami mózg-komputer, w tej czy innej formie od późnych lat sześćdziesiątych, powiedział. Dziedzina przeszła od kontroli kursorów komputerowych, przez poruszające się wózki inwalidzkie i roboty, aż do ponownego ustanowienia dobrowolnej kontroli nad kończynami.
"Uszkodzenie rdzenia kręgowego często osłabia zmysł dotyku, a także zdolność do poruszania się," powiedział O'Doherty. "Przywracanie czucia kończynowego będzie kluczowym elementem neuroprotezy, która pozwala na płynne i naturalne ruchy. "
" Nadal istnieje wiele wyzwań do pokonania ", dodał," ale ten nowy wynik, w połączeniu z wieloma podobnymi postępami w technologii bezprzewodowej, technologii akumulatorowej, inżynierii materiałowej i innych, sprawia, że jestem bardzo optymistycznie nastawiony do urządzeń neuroprostetycznych do przywracania ruch i odczucia stają się powszechnie dostępne. "
Te innowacje dają nadzieję i potencjał przywracania ruchu i zwiększają niezależność wielu pacjentom cierpiącym na paraliż lub inne upośledzenia fizyczne. Dr Ali Rezai, The Ohio State University Wexner Medical CenterRezai powiedział, że 12 000 osób w Stanach Zjednoczonych co roku podtrzymuje uraz rdzenia kręgowego, a 300 000 żyje z takimi obrażeniami w wypadkach samochodowych, urazach, urazach sportowych i upada.
Mniej niż 1 procent osiąga pełne wyleczenie, a większość z nich ma deficyty, które opierają się na różnych technologiach wspomagających i adaptacyjnych, aby zapewnić ograniczony stopień niezależności.
"Te innowacje dają nadzieję i potencjał przywracania ruchu i zwiększają niezależność wielu pacjentom cierpiącym na paraliż lub inne upośledzenia fizyczne" - powiedział Rezai. "Oprócz usprawnień motorycznych, technologia ta ma potencjalne konsekwencje dla osób z deficytami sensorycznymi, przewlekłym bólem, mową, udarem, zaburzeniami poznawczymi, lękowymi i behawioralnymi. "
Rezai powiedział, że ma nadzieję, że wkrótce ci z niepełnosprawnościami fizycznymi, sensorycznymi, poznawczymi i innymi będą mieli możliwość bycia bardziej funkcjonalnymi, mieć więcej niezależności i lepszej jakości życia.
"Naszym celem jest uczynić tę technologię mniej inwazyjną, zmniejszyć rozmiar urządzenia, zminiaturyzować czujniki, sprawić, by system był bezprzewodowy i zapewnić system w domu zamiast w laboratorium" - powiedział.
Zespół Case Western pracuje także nad technologicznym rozwojem systemu.
"Musimy stworzyć bezprzewodowy interfejs mózgu, aby zastąpić kabel łączący użytkownika z zestawem nagrywających komputerów" - powiedział Ajiboye. "Musimy wzmocnić implant mózgu, aby uzyskać długowieczność, zwiększyć liczbę neuronów, z których możemy nagrywać, oraz opracować w pełni wszczepiony interfejs mózgowy i funkcjonalny elektryczny system stymulacji. "
