Udviklingen af ​​"sind-kontrollerede" bioniske enheder rykkede endnu et skridt tættere på i dag med udgivelsen af ​​en Nature Bioteknologi papir beskriver, hvordan en lillebitte, 3 cm lang stent indeholdende 12 elektroder en dag kunne hjælpe mennesker, der lever med rygmarvsskade, til at gå med tankens kraft.

Enheden, kaldet "stentroden", indsættes i halsvenen i halsen og skubbes op i venen, indtil den når hjernens motoriske cortex, som er ansvarlig for muskelaktivitet.

Jeg har været en del af det 39-personers team, der udviklede og testede enheden, og vi planlægger nu et klinisk forsøg næste år i Victoria.

Hvordan virker det?

Stentrodens position, sammen med den motoriske cortex, gør det muligt for den at modtage neurale signaler, der starter bevægelse. Det sender disse signaler ned 12 mikroleads til en computergrænseflade.

Universitetet i Melbourne. Kilde

Her bliver signalerne oversat til information, der kan manipulere alt fra et bionisk proteselem til et helkropseksoskelet, et eksternt skelet af transformatortypen.

Arbejdet bygger på tidligere forskning, som i 2002 fandt aber kunne flytte en computermarkør med tankens kraft. Dette viste, at det var teoretisk muligt at kontrollere et bionisk lem ved hjælp af tanke alene.

Dernæst brugte forskere elektrodeanordninger, såsom Utah elektrode array, og implanterede dem kirurgisk lige under kraniet ind i cortex hos mennesker. Disse enheder producerede fantastiske resultater, herunder evne til lammede patienter at betjene et fjerntliggende bionisk lem, fuldstændig adskilt fra kroppen, og at tage en tår kaffe. Disse enheder bliver stadig udviklet af et firma kaldet BrainGate.

Imidlertid kræver indsættelse af disse enheder større hjerneoperationer, der indebærer risiko for infektion og immunafstødning. Kirurgisk implanterede elektrodesystemer kan også forårsage hjernebetændelse og lide under forringelse af signalkvaliteten over seks måneder til et år.

Stentroden har til formål at overvinde disse problemer. Ved at sidde inde i hjernens vaskulatur bliver stentroden inkorporeret i karvæggen, hvilket beskytter den mod hjernens immunceller. Vores prækliniske undersøgelser viser, at hjernesignalerne, som stentroden opfanger, faktisk bliver renere og stærkere med tiden, efterhånden som denne blodkar-inkorporering finder sted.

Næste trin: implantering af patienter

De første patienter, der modtager stentrodeimplantaterne, vil være personer, der har fået en rygmarvsskade og endt med quadriplegi.

Inden de modtager implantatet, skal patienterne gennemgå en funktionel MR-scanning. De vil blive bedt om at forestille sig at bevæge deres arm til venstre og højre, op og ned, og at forestille sig at bevæge deres hånd mod mål på en computerskærm.

Dette vil producere et virtuelt kort over den motoriske cortex, som kirurgerne kan sigte efter under stentrodeimplantationsoperationen, for at sikre, at enheden ligger over det passende område af den motoriske cortex.

Derefter vil patientens egen hjerne begynde et læringsparadigme, der ligner meget at lære at spille et instrument eller en ny motorisk færdighed. Neuroner i den motoriske cortex vil affyre som reaktion på en patients tanke, som derefter vil blive oversat til en bevægelse af en markør, bionisk lem eller eksoskelet.

Til at begynde med vil disse bevægelser være rykkede, ukoordinerede og give det forkerte resultat. Men gennem en proces med forsøg og fejl, vil hjernens neuroplastiske egenskaber tillade den at forfine den neurale aktivitet, og til sidst tillade koordinerede aktiviteter såsom at drikke en kop kaffe eller gå ved hjælp af et eksoskelet.

Andre mulige anvendelser

Det stærkt forgrenede vaskulære system i hjernen betyder, at stentroden potentielt kan aflejres i andre kar til behandling af en række sygdomme.

Det har potentialet til at forudsige epileptiske anfald, for eksempel hvis det placeres i den hjerneregion, der giver anledning til anfaldene. Hjernens neurale aktivitet ændrer sig på forudsigelige måder før starten af ​​et anfald. Stentroden kunne opfange disse kontrollampe advarselssignaler og advare patienten om at ophøre med aktiviteter, der ville bringe dem eller andre i fare, såsom kørsel eller svømning.

Stentroden kunne også bruges som en neurostimuleringsanordning. Nuværende terapier for Parkinsons sygdom omfatter dyb hjernestimulering (DBS) for at frigive den dopamin, der kræves for jævne, koordinerede bevægelser. Brug af stentroden som en alternativ stimulator ville lindre risici at implantere stimulatorer dybt ind i hjernen.

Enheden kan også hjælpe mennesker med motorneuronsygdom (MND), som er frataget evnen til at bevæge sig, tale, spise og til sidst trække vejret. På det stadie, hvor folk mister evnen til at kommunikere, kunne stentroden bruges til at give folk en grænseflade til at styre en computer. Dette kan give dem dyrebare måneder eller år, hvor de kan fortsætte med at kommunikere med deres kære.

Stentrodens første in-human kliniske forsøg er planlagt til 2017. Forudsat at vi ser de forventede resultater, håber vi, at en kommercielt tilgængelig version af teknologien vil være tilgængelig i første halvdel af 2020'erne.

I mellemtiden er et mål at tilføje flere elektroder, hvilket giver bedre kontrol for lammede patienter til ikke blot at gå igen, men få fine fingerbevægelser. Kunne vi en dag se en "lammet" violinvirtuos? Vi kan forsøge.