How Brain Implants Can Let Paralyzed People Move Again

Κάτι τόσο απλό όσο το να πάρεις ένα φλιτζάνι τσάι απαιτεί μια φοβερή δράση από το σώμα σου. Οι μύες των χεριών σας πυροδοτούν για να μετακινήσουν το χέρι σας προς το κύπελλο. Οι μύες των δακτύλων σας πυροδοτούν για να ανοίξουν το χέρι σας και στη συνέχεια λυγίστε τα δάχτυλά σας γύρω από τη λαβή. Οι μύες των ώμων σας εμποδίζουν το χέρι σας να βγει έξω από τον ώμο σας και οι μύες του πυρήνα σας φροντίζουν να μην ανατρέψετε λόγω του επιπλέον βάρους του κυπέλλου. Όλοι αυτοί οι μύες πρέπει να πυροδοτούν με έναν ακριβή και συντονισμένο τρόπο, και όμως η μόνη συνειδητή προσπάθεια σας είναι η σκέψη: «Ξέρω: τσάι!»

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η παράλυση ενός άκρου να κινείται ξανά είναι τόσο δύσκολη. Οι περισσότεροι παράλυτοι μύες μπορούν ακόμα να λειτουργήσουν, αλλά η επικοινωνία τους με τον εγκέφαλο έχει χαθεί, οπότε δεν λαμβάνουν οδηγίες για πυρκαγιά. Δεν μπορούμε ακόμη να αποκαταστήσουμε τη βλάβη του νωτιαίου μυελού, οπότε μια λύση είναι να τον παρακάμψουμε και να παρέχουμε τις οδηγίες στους μυς τεχνητά. Και χάρη στην ανάπτυξη της τεχνολογίας για την ανάγνωση και την ερμηνεία της εγκεφαλικής δραστηριότητας, αυτές οι οδηγίες θα μπορούσαν μια μέρα να βγουν απευθείας από το μυαλό ενός ασθενούς.

Μπορούμε να κάνουμε τους παράλυτους μυς να πυροδοτηθούν διεγείροντάς τους με ηλεκτρόδια τοποθετημένα μέσα στους μυς ή γύρω από τα νεύρα που τους παρέχουν, μια τεχνική γνωστή ως λειτουργική ηλεκτρική διέγερση (FES). Εκτός από το να βοηθάει τους παράλυτους να κινούνται, χρησιμοποιείται επίσης για την αποκατάσταση της λειτουργίας της ουροδόχου κύστης, την παραγωγή αποτελεσματικού βήχα και την ανακούφιση του πόνου. Είναι μια συναρπαστική τεχνολογία που μπορεί να κάνει μεγάλη διαφορά στη ζωή των ατόμων με τραυματισμό του νωτιαίου μυελού.

Η Δήμητρα Μπλάνα και οι συνεργάτες της στο Keele εργάζονται για τον τρόπο αντιστοίχισης αυτής της τεχνολογίας με το σύνθετο σύνολο οδηγίες που απαιτούνται για τη λειτουργία του βραχίοναΕ Εάν θέλετε να πάρετε αυτό το φλιτζάνι τσάι, ποιοι μύες πρέπει να πυροδοτηθούν, πότε και πόσο; Οι οδηγίες πυροδότησης είναι περίπλοκες και όχι μόνο λόγω του μεγάλου αριθμού των μυών του πυρήνα, των ώμων, των χεριών και των δακτύλων. Καθώς πίνετε σιγά -σιγά το τσάι σας, αυτές οι οδηγίες αλλάζουν, επειδή το βάρος του φλιτζανιού αλλάζει. Για να κάνετε κάτι διαφορετικό, όπως το ξύσιμο της μύτης σας, οι οδηγίες είναι εντελώς διαφορετικές.

Αντί να δοκιμάσετε απλά διάφορα μοτίβα πυροδότησης στους παράλυτους μυς με την ελπίδα να βρείτε ένα που λειτουργεί, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε μοντέλα υπολογιστών του μυοσκελετικού συστήματος να τα υπολογίσω. Αυτά τα μοντέλα είναι μαθηματικές περιγραφές για το πώς οι μύες, τα οστά και οι αρθρώσεις δρουν και αλληλεπιδρούν κατά τη διάρκεια της κίνησης. Στις προσομοιώσεις, μπορείτε να κάνετε τους μυς πιο δυνατούς ή πιο αδύναμους, «παράλυτους» ή «εξωτερικά διεγερμένους». Μπορείτε να δοκιμάσετε διαφορετικά μοτίβα πυροδότησης γρήγορα και με ασφάλεια και μπορείτε να κάνετε τα μοντέλα να μαζεύουν τα φλιτζάνια τσαγιού τους ξανά και ξανά - μερικές φορές πιο επιτυχημένα από άλλα.


innerself subscribe graphic


Μοντελοποίηση των μυών

Για να δοκιμάσει την τεχνολογία, η ομάδα στο Keele συνεργάζεται με το Κέντρο FES του Κλίβελαντ στις ΗΠΑ, όπου εμφυτεύονται έως 24 ηλεκτρόδια στους μυς και στα νεύρα των συμμετεχόντων στην έρευνα. Χρησιμοποιούν τη μοντελοποίηση για να αποφασίσουν πού θα τοποθετήσουν τα ηλεκτρόδια επειδή υπάρχουν περισσότεροι παράλυτοι μύες παρά ηλεκτρόδια στα τρέχοντα συστήματα FES.

Εάν πρέπει να διαλέξετε, είναι καλύτερο να διεγείρετε το υποκαπικό ή το υπερσπονδυλικό; Εάν διεγείρετε το μασχαλιαίο νεύρο, πρέπει να τοποθετήσετε το ηλεκτρόδιο πριν ή μετά από το κλαδί στο teres minor; Για να απαντήσω σε αυτές τις δύσκολες ερωτήσεις, εκτελούν προσομοιώσεις με διαφορετικά σύνολα ηλεκτροδίων και επιλέξτε αυτό που επιτρέπει στα μοντέλα υπολογιστών να κάνουν τις πιο αποτελεσματικές κινήσεις.

{youtube} 1GKfWow6aFA {youtube}

Επί του παρόντος, η ομάδα εργάζεται στον ώμο, ο οποίος σταθεροποιείται από μια ομάδα μυών που ονομάζεται περιστροφική μανσέτα. Εάν λάβετε λάθος τις οδηγίες πυροδότησης για το μπράτσο, μπορεί να φτάσει το κουτάλι σούπας αντί για το μαχαίρι βουτύρου. Εάν λάβετε λάθος τις οδηγίες στην περιστροφική μανσέτα, ο βραχίονας μπορεί να βγει από τον ώμο. Δεν είναι καλή εμφάνιση για τα μοντέλα υπολογιστών, αλλά δεν παραπονιούνται. Οι συμμετέχοντες στην έρευνα θα ήταν λιγότερο επιεικείς.

Το να γνωρίζετε πώς να ενεργοποιείτε τους παράλυτους μύες για να παράγετε χρήσιμες κινήσεις όπως το πιάσιμο είναι μόνο το μισό του προβλήματος. Πρέπει επίσης να γνωρίζουμε πότε να ενεργοποιήσουμε τους μυς, για παράδειγμα όταν ο χρήστης θέλει να πάρει ένα αντικείμενο. Μια πιθανότητα είναι να διαβάσετε αυτές τις πληροφορίες απευθείας από τον εγκέφαλο. Πρόσφατα, ερευνητές στις ΗΠΑ χρησιμοποίησε ένα εμφύτευμα για να ακούσει μεμονωμένα κύτταρα στον εγκέφαλο ενός παράλυτου ατόμου. Επειδή διαφορετικές κινήσεις σχετίζονται με διαφορετικά μοτίβα δραστηριότητας του εγκεφάλου, ο συμμετέχων μπόρεσε να επιλέξει μία από τις έξι προ-προγραμματισμένες κινήσεις που στη συνέχεια δημιουργήθηκαν από διέγερση των μυών των χεριών.

Διαβάζοντας τον εγκέφαλο

Αυτό ήταν ένα συναρπαστικό βήμα προς τα εμπρός για τον τομέα της νευρικής προσθετικής, αλλά παραμένουν πολλές προκλήσεις. Ιδανικά τα εμφυτεύματα εγκεφάλου πρέπει να διαρκέσουν για πολλές δεκαετίες - επί του παρόντος είναι δύσκολο να καταγραφούν τα ίδια σήματα ακόμη και για αρκετές εβδομάδες, οπότε αυτά τα συστήματα πρέπει να επαναβαθμονομούνται τακτικά. Χρησιμοποιώντας νέα σχέδια εμφυτευμάτων or διαφορετικά εγκεφαλικά σήματα μπορεί να βελτιώσει τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα.

Επίσης, τα εμφυτεύματα ακούν μόνο ένα μικρό ποσοστό των εκατομμυρίων κυττάρων που ελέγχουν τα άκρα μας, οπότε το εύρος των κινήσεων που μπορούν να διαβαστούν είναι περιορισμένο. Ωστόσο, εγκεφαλικός έλεγχος ρομποτικών άκρων έχει επιτευχθεί πολλαπλοί βαθμοί ελευθερίας (κίνηση, περιστροφή και σύλληψη) και οι δυνατότητες αυτής της τεχνολογίας προχωρούν ραγδαία.

Τέλος, οι ομαλές, αβίαστες κινήσεις που συνήθως θεωρούμε δεδομένες καθοδηγούνται από πλούσια αισθητήρια ανάδραση που μας λέει πού βρίσκονται τα χέρια μας στο διάστημα και πότε τα δάχτυλά μας αγγίζουν αντικείμενα. Ωστόσο, αυτά τα σήματα μπορούν επίσης να χαθούν μετά τον τραυματισμό οι ερευνητές εργάζονται σε εμφυτεύματα εγκεφάλου που μπορεί μια μέρα να αποκαταστήσουν την αίσθηση καθώς και την κίνηση.

Ορισμένοι επιστήμονες εικάζουν ότι η τεχνολογία ανάγνωσης εγκεφάλου θα μπορούσε να βοηθήσει τα άτομα με ικανό σώμα να επικοινωνούν πιο αποτελεσματικά με υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα, ακόμη και απευθείας σε άλλους εγκεφάλουςΕ Ωστόσο, αυτό παραμένει το πεδίο της επιστημονικής φαντασίας, ενώ ο έλεγχος του εγκεφάλου για ιατρικές εφαρμογές γίνεται γρήγορα κλινική πραγματικότητα.

Σχετικά με τους συγγραφείς

Δήμητρα Μπλάνα, Ερευνητική Συνεργάτης στη Βιοϊατρική Μηχανική, Πανεπιστήμιο Keele

Andrew Jackson, Wellcome Trust Senior Research Fellow, University of Newcastle

Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στις Η Συνομιλία. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Σχετικά βιβλία

at InnerSelf Market και Amazon