Noget så simpelt som at tage en kop te kræver en masse handling fra din krop. Dine armmuskler skyder for at bevæge din arm mod koppen. Dine fingermuskler affyres for at åbne din hånd, så bøj fingrene rundt om håndtaget. Dine skuldermuskler holder din arm fra at springe ud af din skulder, og dine kernemuskler sørger for, at du ikke vælter på grund af koppens ekstra vægt. Alle disse muskler skal affyre på en præcis og koordineret måde, og alligevel er din eneste bevidste indsats tanken: "Jeg ved: te!"
Det er derfor, det er så svært at gøre det muligt for en lammet lemmer at bevæge sig igen. De fleste lammede muskler kan stadig fungere, men deres kommunikation med hjernen er gået tabt, så de modtager ikke instruktioner til affyring. Vi kan endnu ikke reparere skader på rygmarven, så en løsning er at omgå den og give instruktionerne til musklerne kunstigt. Og takket være udviklingen af teknologi til læsning og fortolkning af hjerneaktivitet kunne disse instruktioner en dag komme direkte fra en patients sind.
Vi kan få lammet muskler til at affyre ved at stimulere dem med elektroder placeret inde i musklerne eller omkring de nerver, der forsyner dem, en teknik kendt som funktionel elektrisk stimulering (FES). Ud over at hjælpe lammede mennesker med at bevæge sig, bruges det også til at genoprette blærefunktion, producere effektiv hoste og give smertelindring. Det er en fascinerende teknologi, der kan gøre en stor forskel for livet for mennesker med rygmarvsskade.
Dimitra Blana og hendes kolleger hos Keele arbejder på, hvordan man kan matche denne teknologi med det komplekse sæt af de instruktioner, der er nødvendige for at betjene en arm. Hvis du vil hente den kop te, hvilke muskler skal der affyres, hvornår og hvor meget? Skydeanvisningerne er komplicerede og ikke kun på grund af det store antal involverede kerne-, skulder-, arm- og fingermuskler. Når du langsomt drikker din te, ændres disse instruktioner, fordi koppens vægt ændres. For at gøre noget andet, som at ridse næsen, er instruktionerne helt forskellige.
I stedet for bare at prøve forskellige fyringsmønstre på de lammede muskler i håb om at finde en der fungerer, kan du bruge computermodeller af bevægeapparatet at beregne dem. Disse modeller er matematiske beskrivelser af, hvordan muskler, knogler og led fungerer og interagerer under bevægelse. I simuleringerne kan du gøre musklerne stærkere eller svagere, "lammet" eller "eksternt stimuleret". Du kan teste forskellige fyringsmønstre hurtigt og sikkert, og du kan få modellerne til at hente deres tekopper igen og igen - nogle gange mere vellykket end andre.
Modellering af musklerne
For at teste teknologien arbejder teamet hos Keele med Cleveland FES Center i USA, hvor de implanterer op til 24 elektroder ind i forskningsdeltagernes muskler og nerver. De bruger modellering til at bestemme, hvor elektroderne skal placeres, fordi der er mere lammede muskler end elektroder i nuværende FES-systemer.
Hvis du skal vælge, er det bedre at stimulere subscapularis eller supraspinatus? Hvis du stimulerer aksillær nerve, skal du placere elektroden før eller efter grenen til teres minor? For at besvare disse vanskelige spørgsmål, de kører simuleringer med forskellige sæt elektroder og vælg den, der gør det muligt for computermodellerne at foretage de mest effektive bevægelser.
{youtube} 1GKfWow6aFA {youtube}
I øjeblikket arbejder holdet på skulderen, som er stabiliseret af en gruppe muskler kaldet rotatormanchetten. Hvis du får forkert instruktioner til armen, når den muligvis frem til suppeskeden i stedet for smørkniven. Hvis du får forkert instruktionerne til rotatormanchetten, kan armen springe ud af skulderen. Det ser ikke godt ud til computermodellerne, men de klager ikke. Forskningsdeltagere ville være mindre tilgivende.
At vide, hvordan man aktiverer lammede muskler for at producere nyttige bevægelser som at gribe, er kun halvdelen af problemet. Vi har også brug for at vide, hvornår musklerne skal aktiveres, for eksempel når brugeren ønsker at samle et objekt op. En mulighed er at læse disse oplysninger direkte fra hjernen. For nylig, forskere i USA brugte et implantat til at lytte til individuelle celler i hjernen hos et lammet individ. Fordi forskellige bevægelser er forbundet med forskellige mønstre af hjerneaktivitet, var deltageren i stand til at vælge en af seks forprogrammerede bevægelser, som derefter blev genereret ved stimulering af håndmuskler.
Læsning af hjernen
Dette var et spændende skridt fremad inden for neurale proteser, men der er stadig mange udfordringer. Ideelt set skal hjerneimplantater vare i mange årtier - i øjeblikket er det vanskeligt at registrere de samme signaler, selv over flere uger, så disse systemer skal kalibreres regelmæssigt. Ved brug af nye implantatdesign or forskellige hjernesignaler kan forbedre langvarig stabilitet.
Implantater lytter kun til en lille del af de millioner af celler, der styrer vores lemmer, så bevægelsesområdet, der kan aflæses, er begrænset. Imidlertid, hjernekontrol af robot lemmer med flere frihedsgrader (bevægelse, rotation og greb) er opnået, og funktionerne i denne teknologi udvikler sig hurtigt.
Endelig styres de glatte, ubesværede bevægelser, som vi normalt tager for givet, af rig sensorisk feedback, der fortæller os, hvor vores arme er i rummet, og når vores fingerspidser rører ved objekter. Disse signaler kan dog også gå tabt efter skade forskere arbejder på hjerneimplantater, der en dag kan genoprette følelse såvel som bevægelse.
Nogle forskere spekulerer i, at hjernelæsningsteknologi kan hjælpe handicappede personer til at kommunikere mere effektivt med computere, mobiltelefoner og endda direkte til andre hjerner. Dette er dog stadig området for science fiction, mens hjernekontrol til medicinske applikationer hurtigt bliver klinisk virkelighed.
Om forfatterne
Dimitra Blana, stipendiat i biomedicinsk teknik, Keele University
Andrew Jackson, Wellcome Trust Senior Research Fellow, Newcastle University
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort den The Conversation. Læs oprindelige artikel.
Relaterede bøger
at InnerSelf Market og Amazon
