Forskere har brugt en trådløs "hjerne-ryggrænseflade" til at omgå rygmarvsskader i et par rhesusmakak, hvilket gendanner bevidst gangbevægelse til et midlertidigt lammet ben.

Forskere siger, at dette er første gang, en neural protese er blevet brugt til at gendanne gangbevægelse direkte til benene på ikke-menneskelige primater.

"Det system, vi har udviklet, bruger signaler, der er optaget fra hjernens motoriske cortex til at udløse koordineret elektrisk stimulering af nerver i rygsøjlen, der er ansvarlige for bevægelse," siger David Borton, assisterende professor i teknik ved Brown University og en co-lead author af undersøgelsen. "Med systemet tændt havde dyrene i vores undersøgelse næsten normal bevægelse."

Arbejdet kunne hjælpe med at udvikle et lignende system designet til mennesker, der har haft rygmarvsskader.

Genoprette kommunikation

"Der er tegn på, at et hjernestyret rygmarvsstimuleringssystem kan forbedre rehabilitering efter en rygmarvsskade," siger Borton. "Dette er et skridt mod yderligere at teste denne mulighed."

Grégoire Courtine, professor ved Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL), der ledede samarbejdet, har startet kliniske forsøg i Schweiz for at teste rygsøjledelen af ​​grænsefladen. Han advarer: "Der er mange udfordringer i vente, og det kan tage flere år, før alle komponenterne i denne intervention kan testes hos mennesker."

Det er muligt at gå på grund af et komplekst samspil mellem neuroner i hjernen og rygmarven. Elektriske signaler, der stammer fra hjernens motoriske cortex, bevæger sig ned til lændeområdet i den nedre rygmarv, hvor de aktiverer motorneuroner, der koordinerer bevægelsen af ​​muskler, der er ansvarlige for at udvide og bøje benet.

Skader på den øvre rygsøjle kan afbryde kommunikationen mellem hjernen og nedre rygmarv. Både motorisk cortex og spinalneuroner kan være fuldt funktionelle, men de er ikke i stand til at koordinere deres aktivitet. Målet med undersøgelsen var at genskabe noget af denne kommunikation.

Grænsefladen hjerne-spinal bruger et pilleformet elektrodearray implanteret i hjernen til at optage signaler fra motorbarken. Sensorteknologien blev delvist udviklet til efterforskningsbrug hos mennesker af BrainGate-samarbejdet, et forskergruppe, der inkluderer Brown, Case Western Reserve University, Massachusetts General Hospital, Providence VA Medical Center og Stanford University.

Teknologien bruges i igangværende kliniske pilotforsøg og blev tidligere brugt i en studere ledet af den brune neuroingeniør Leigh Hochberg, hvor mennesker med tetraplegi var i stand til at betjene en robotarm ved blot at tænke på bevægelsen af ​​deres egen hånd.

En trådløs neurosensor, udviklet i neuro-engineering lab af Brown professor Arto Nurmikko af et team, der inkluderede Borton, sender signalerne samlet af hjernechippen trådløst til en computer, der afkoder dem og sender dem trådløst tilbage til en elektrisk rygmarvsstimulator, der er implanteret i lændehvirvelen. rygsøjlen, under området for skade. Den elektriske stimulering, leveret i mønstre koordineret af den dekodede hjerne, signalerer til rygmarvsnervene, der styrer bevægelse.

For at kalibrere afkodningen af ​​hjernesignaler implanterede forskerne hjernesensoren og den trådløse sender i sunde makakker. Signalerne, der sendes af sensoren, kunne derefter kortlægges på dyrenes benbevægelser. De viste, at dekoderen var i stand til nøjagtigt at forudsige hjernetilstande forbundet med forlængelse og bøjning af benmuskler.

Trådløs er afgørende

Evnen til at transmittere hjernesignaler trådløst var kritisk for dette arbejde, siger Borton. Kabelforbundne hjernesensor-systemer begrænser bevægelsesfriheden, hvilket igen begrænser de informationer, forskere er i stand til at samle om bevægelse.

"Hvis vi gør dette trådløst, kan vi kortlægge neurale aktiviteter i normale sammenhænge og under naturlig adfærd," siger Borton. "Hvis vi virkelig sigter mod neuroprotetik, der en dag kan anvendes til at hjælpe menneskelige patienter under dagligdagens aktiviteter, vil sådanne ubundne optagelsesteknologier være kritiske."

For det aktuelle arbejde, offentliggjort i NaturForskerne kombinerede deres forståelse af, hvordan hjernesignaler påvirker bevægelse med rygmarvskort, udviklet af Courtines laboratorium ved EPFL, som identificerede de neurale hotspots i rygsøjlen, der er ansvarlige for bevægelseskontrol. Det gjorde det muligt for holdet at identificere de neurale kredsløb, der skulle stimuleres af rygmarvsimplantatet.

Med disse stykker på plads testede forskerne derefter hele systemet på to makakker med læsioner, der strakte sig over halvdelen af ​​rygmarven i deres thoraxrygg. Makakker med denne type skade genvinder generelt funktionel kontrol af det berørte ben over en periode på en måned eller deromkring, siger forskerne. Holdet testede deres system i ugerne efter skaden, hvor der stadig ikke var nogen vilje kontrol over det berørte ben.

Resultaterne viser, at med systemet tændt, begyndte dyrene spontant at bevæge deres ben, mens de gik på et løbebånd. Kinematiske sammenligninger med sunde kontroller viste, at de læsionerede makakker ved hjælp af hjernestyret stimulation var i stand til at producere næsten normale bevægelsesmønstre.

Mens det demonstrerer, at systemet fungerer i en ikke-menneskelig primat, er et vigtigt skridt, understregede forskerne, at der skal gøres meget mere arbejde for at begynde at teste systemet hos mennesker. De påpegede også flere begrænsninger i undersøgelsen.

For eksempel, mens systemet, der blev brugt i denne undersøgelse, videresendte signaler fra hjernen til rygsøjlen, mangler det evnen til at returnere sensorisk information til hjernen. Holdet var heller ikke i stand til at teste, hvor stort pres dyrene var i stand til at påføre det berørte ben. Mens det var klart, at lemmen havde en vis vægt, var det ikke klart af dette arbejde, hvor meget.

”I en fuldstændig translationel undersøgelse vil vi gerne foretage mere kvantificering af, hvor afbalanceret dyret er under gang, og måle de kræfter, de er i stand til at anvende,” siger Borton.

På trods af begrænsningerne sætter forskningen scenen for fremtidige studier af primater og på et eller andet tidspunkt potentielt som en rehabiliteringshjælp hos mennesker.

”Der er et ordsprog inden for neurovidenskab, der kredsløb, der affyrer sammen, tråder sammen,” siger Borton. ”Tanken her er, at ved at engagere hjernen og rygmarven sammen, kan vi muligvis øge væksten af ​​kredsløb under rehabilitering. Det er et af de vigtigste mål for dette arbejde og et mål for dette felt generelt. ”

Finansieringen kom fra Det Europæiske Fællesskabs syvende rammeprogram, International Foundation for Research in Paraplegia Starting Grant fra Det Europæiske Forskningsråd, Wyss Center i Genève Marie Curie Fellowship, Marie Curie COFUND EPFL stipendier, Medtronic Morton Cure Paralysis Fund stipendium, NanoTera.ch Program, National Center of Competence in Research in Robotics Sinergia program, kinesisk-schweizisk videnskab og teknologisamarbejde og Swiss National Science Foundation.

Kilde: Brown University

{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}

Relaterede Bøger:

at InnerSelf Market og Amazon