Οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει μια ασύρματη «διεπαφή εγκεφάλου-σπονδυλικής στήλης» για να παρακάμψουν τους τραυματισμούς του νωτιαίου μυελού σε ένα ζευγάρι μακάκων rhesus, αποκαθιστώντας την σκόπιμη κίνηση περπατήματος σε ένα προσωρινά παράλυτο πόδι.
Οι ερευνητές λένε ότι είναι η πρώτη φορά που χρησιμοποιείται νευρική προσθετική για να αποκατασταθεί η κίνηση περπατήματος απευθείας στα πόδια μη ανθρώπινων πρωτευόντων.
"Το σύστημα που έχουμε αναπτύξει χρησιμοποιεί σήματα που καταγράφονται από τον κινητικό φλοιό του εγκεφάλου για να προκαλέσει συντονισμένη ηλεκτρική διέγερση των νεύρων στη σπονδυλική στήλη που είναι υπεύθυνα για την κίνηση", λέει ο David Borton, επίκουρος καθηγητής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Brown και συγγραφέας της μελέτης. «Με το σύστημα ενεργοποιημένο, τα ζώα στη μελέτη μας είχαν σχεδόν φυσιολογική κίνηση».
Το έργο θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανάπτυξη ενός παρόμοιου συστήματος σχεδιασμένου για ανθρώπους που είχαν τραυματισμούς στη σπονδυλική στήλη.
Επαναφέρετε την επικοινωνία
"Υπάρχουν στοιχεία που υποδηλώνουν ότι ένα ελεγχόμενο από τον εγκέφαλο σύστημα διέγερσης της σπονδυλικής στήλης μπορεί να ενισχύσει την αποκατάσταση μετά από τραυματισμό του νωτιαίου μυελού", λέει ο Borton. "Αυτό είναι ένα βήμα προς την περαιτέρω δοκιμή αυτής της δυνατότητας."
Ο Grégoire Courtine, καθηγητής στην Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL) που ηγήθηκε της συνεργασίας, ξεκίνησε κλινικές δοκιμές στην Ελβετία για να δοκιμάσει το τμήμα της σπονδυλικής στήλης της διεπαφής. Προειδοποιεί: «Υπάρχουν πολλές προκλήσεις μπροστά και μπορεί να χρειαστούν αρκετά χρόνια για να δοκιμαστούν όλα τα στοιχεία αυτής της παρέμβασης σε ανθρώπους».
Το περπάτημα είναι δυνατό λόγω μιας πολύπλοκης αλληλεπίδρασης μεταξύ των νευρώνων στον εγκέφαλο και τον νωτιαίο μυελό. Τα ηλεκτρικά σήματα που προέρχονται από τον κινητικό φλοιό του εγκεφάλου ταξιδεύουν προς τα κάτω στην οσφυϊκή χώρα του κάτω νωτιαίου μυελού, όπου ενεργοποιούν τους κινητικούς νευρώνες που συντονίζουν την κίνηση των μυών που είναι υπεύθυνοι για την έκταση και την κάμψη του ποδιού.
Ο τραυματισμός στην άνω σπονδυλική στήλη μπορεί να διακόψει την επικοινωνία μεταξύ του εγκεφάλου και του κάτω νωτιαίου μυελού. Τόσο ο κινητικός φλοιός όσο και οι νευρώνες της σπονδυλικής στήλης μπορεί να είναι πλήρως λειτουργικοί, αλλά δεν είναι σε θέση να συντονίσουν τη δραστηριότητά τους. Ο στόχος της μελέτης ήταν να αποκατασταθεί μέρος αυτής της επικοινωνίας.
Η διεπαφή εγκεφάλου-σπονδυλικής στήλης χρησιμοποιεί μια σειρά ηλεκτροδίων μεγέθους χαπιού εμφυτευμένη στον εγκέφαλο για την καταγραφή σημάτων από τον κινητικό φλοιό. Η τεχνολογία αισθητήρων αναπτύχθηκε εν μέρει για ερευνητική χρήση στον άνθρωπο από τη συνεργασία BrainGate, μια ερευνητική ομάδα που περιλαμβάνει Brown, Case Western Reserve University, Massachusetts General Hospital, το Providence VA Medical Center και Stanford University.
Η τεχνολογία χρησιμοποιείται σε τρέχουσες πιλοτικές κλινικές δοκιμές και χρησιμοποιήθηκε προηγουμένως σε α μελέτη με επικεφαλής τον Brown neuroengineer Leigh Hochberg, στο οποίο τα άτομα με τετραπληγία κατάφεραν να χειριστούν ένα ρομποτικό χέρι σκέφτοντας μόνο την κίνηση του χεριού τους.
Ένας ασύρματος νευροαισθητήρας, που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο νευρομηχανικής του καθηγητή Brown Arto Nurmikko από μια ομάδα που περιλάμβανε τον Borton, στέλνει τα σήματα που συλλέγονται από το τσιπ του εγκεφάλου ασύρματα σε έναν υπολογιστή που τα αποκωδικοποιεί και τα στέλνει ασύρματα πίσω σε έναν ηλεκτρικό διεγέρτη σπονδυλικής στήλης που έχει εμφυτευτεί στην οσφυϊκή μοίρα. σπονδυλική στήλη, κάτω από την περιοχή τραυματισμού. Αυτή η ηλεκτρική διέγερση, που παρέχεται σε σχήματα που συντονίζονται από τον αποκωδικοποιημένο εγκέφαλο, δίνει σήματα στα νωτιαία νεύρα που ελέγχουν την κίνηση.
Για να βαθμονομήσουν την αποκωδικοποίηση των εγκεφαλικών σημάτων, οι ερευνητές εμφύτευσαν τον αισθητήρα εγκεφάλου και τον ασύρματο πομπό σε υγιείς μακάκους. Τα σήματα που μεταδίδονται από τον αισθητήρα θα μπορούσαν στη συνέχεια να χαρτογραφηθούν στις κινήσεις των ποδιών των ζώων. Έδειξαν ότι ο αποκωδικοποιητής ήταν σε θέση να προβλέψει με ακρίβεια τις καταστάσεις του εγκεφάλου που σχετίζονται με την επέκταση και την κάμψη των μυών των ποδιών.
Το ασύρματο είναι ζωτικής σημασίας
Η ικανότητα ασύρματης μετάδοσης εγκεφαλικών σημάτων ήταν ζωτικής σημασίας για αυτό το έργο, λέει ο Borton. Τα ενσύρματα συστήματα ανίχνευσης εγκεφάλου περιορίζουν την ελευθερία κινήσεων, η οποία με τη σειρά της περιορίζει τις πληροφορίες που είναι σε θέση να συγκεντρώσουν οι ερευνητές σχετικά με την κίνηση.
"Κάνοντας αυτό ασύρματα, μας επιτρέπει να χαρτογραφήσουμε τη νευρωνική δραστηριότητα σε κανονικά πλαίσια και κατά τη διάρκεια της φυσικής συμπεριφοράς", λέει ο Borton. «Αν πραγματικά στοχεύουμε σε νευροπροσθετικά που κάποια μέρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν τους ασθενείς ασθενείς κατά τη διάρκεια της καθημερινής ζωής, τέτοιες ασύλληπτες τεχνολογίες εγγραφής θα είναι κρίσιμες».
Για την τρέχουσα εργασία, δημοσιευμένη στο Φύση, Οι ερευνητές συνδύασαν την κατανόησή τους για τον τρόπο με τον οποίο τα σήματα του εγκεφάλου επηρεάζουν την κίνηση με χάρτες της σπονδυλικής στήλης, που αναπτύχθηκαν από το εργαστήριο του Courtine στο EPFL, το οποίο εντόπισε τα νευρικά σημεία της σπονδυλικής στήλης που είναι υπεύθυνα για τον κινητικό έλεγχο. Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να εντοπίσει τα νευρικά κυκλώματα που πρέπει να διεγερθούν από το νωτιαίο εμφύτευμα.
Με αυτά τα κομμάτια στη θέση τους, οι ερευνητές δοκίμασαν στη συνέχεια ολόκληρο το σύστημα σε δύο μακάκους με βλάβες που εκτείνονταν στο μισό του νωτιαίου μυελού στη θωρακική τους σπονδυλική στήλη. Οι μακάκοι με αυτόν τον τύπο τραυματισμού αποκτούν γενικά τον λειτουργικό έλεγχο του προσβεβλημένου ποδιού σε διάστημα περίπου ενός μήνα, λένε οι ερευνητές. Η ομάδα δοκίμασε το σύστημά της τις εβδομάδες μετά τον τραυματισμό, όταν ακόμα δεν υπήρχε εθελοντικός έλεγχος στο προσβεβλημένο πόδι.
Τα ευρήματα δείχνουν ότι με το σύστημα ενεργοποιημένο, τα ζώα άρχισαν να κινούν αυθόρμητα τα πόδια τους ενώ περπατούσαν σε διάδρομο. Κινηματικές συγκρίσεις με υγιείς μάρτυρες έδειξαν ότι οι τραυματισμένοι μακάκοι, με τη βοήθεια ελεγχόμενης από τον εγκέφαλο διέγερσης, ήταν σε θέση να παράγουν σχεδόν φυσιολογικά μοτίβα κινητικότητας.
Ενώ η απόδειξη ότι το σύστημα λειτουργεί σε μη ανθρώπινο πρωτεύον είναι ένα σημαντικό βήμα, οι ερευνητές τόνισαν ότι πρέπει να γίνει πολύ περισσότερη δουλειά για να ξεκινήσει ο έλεγχος του συστήματος σε ανθρώπους. Τόνισαν επίσης αρκετούς περιορισμούς στη μελέτη.
Για παράδειγμα, ενώ το σύστημα που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη μετέφερε επιτυχώς σήματα από τον εγκέφαλο στη σπονδυλική στήλη, δεν έχει την ικανότητα να επιστρέφει αισθητηριακές πληροφορίες στον εγκέφαλο. Η ομάδα δεν μπόρεσε επίσης να δοκιμάσει πόση πίεση κατάφεραν να ασκήσουν τα ζώα στο προσβεβλημένο πόδι. Ενώ ήταν σαφές ότι το άκρο είχε κάποιο βάρος, δεν ήταν σαφές από αυτό το έργο πόσο.
"Σε μια πλήρη μεταφραστική μελέτη, θα θέλαμε να κάνουμε περισσότερη ποσοτικοποίηση σχετικά με το πόσο ισορροπημένο είναι το ζώο κατά το περπάτημα και να μετρήσουμε τις δυνάμεις που μπορούν να εφαρμόσουν", λέει ο Borton.
Παρά τους περιορισμούς, η έρευνα θέτει το πλαίσιο για μελλοντικές μελέτες σε πρωτεύοντα θηλαστικά και, κάποια στιγμή, δυνητικά ως βοήθημα αποκατάστασης στους ανθρώπους.
"Υπάρχει μια παροιμία στη νευροεπιστήμη που κυκλώνει που πυροδοτούνται μεταξύ τους", λέει ο Borton. «Η ιδέα εδώ είναι ότι εμπλέκοντας τον εγκέφαλο και το νωτιαίο μυελό μαζί, ίσως μπορέσουμε να ενισχύσουμε την ανάπτυξη των κυκλωμάτων κατά τη διάρκεια της αποκατάστασης. Αυτός είναι ένας από τους κύριους στόχους αυτής της εργασίας και στόχος αυτού του τομέα γενικότερα ».
Η χρηματοδότηση προήλθε από το Έβδομο Πρόγραμμα Πλαίσιο της Ευρωπαϊκής Κοινότητας, το International Foundation for Research in Paraplegia Starting Grant από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας, το Wyss Center στη Γενεύη Marie Curie Fellowship, Marie Curie COFUND EPFL, Medtronic Morton Cure Paralysis Fund, NanoTera.ch Πρόγραμμα, Εθνικό Κέντρο Ικανότητας στην Έρευνα στη Ρομποτική Sinergia, Σινο-Ελβετική Συνεργασία Επιστήμης και Τεχνολογίας και Ελβετικό Εθνικό Scienceδρυμα Επιστημών.
πηγή: Πανεπιστήμιο Brown
{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}
Σχετικές Βιβλία:
at InnerSelf Market και Amazon
