How Brain Implants Can Let Paralyzed People Move Again

Noe så enkelt som å plukke opp en kopp te krever en forferdelig masse handling fra kroppen din. Armmusklene brann for å bevege armen mot koppen. Fingre muskler brann for å åpne hånden din og bøy fingrene rundt håndtaket. Din skuldermuskulatur holder armen fra å stikke ut av skulderen, og kjerne musklene dine sørger for at du ikke tipper over på grunn av den ekstra vekten på koppen. Alle disse musklene må brann på en presis og koordinert måte, og likevel er din eneste bevisste innsats tanken: "Jeg vet: te!"

Dette er grunnen til at det er så vanskelig å la et lammet lemmer bevege seg igjen. De fleste lammede muskler kan fortsatt fungere, men deres kommunikasjon med hjernen har gått tapt, så de mottar ikke instruksjoner for å brenne. Vi kan ikke reparere skader på ryggmargen, så en løsning er å omgå den og gi instruksjonene til musklene kunstig. Og takket være utviklingen av teknologi for lesing og tolkning av hjerneaktivitet, kan disse instruksjonene en dag komme direkte fra pasientens sinn.

Vi kan gjøre paralyserte muskler brann ved å stimulere dem med elektroder plassert inne i musklene eller rundt nerver som leverer dem, en teknikk kjent som funksjonell elektrisk stimulering (FES). I tillegg til å hjelpe lammet folk beveger seg, brukes det også til å gjenopprette blærefunksjonen, produsere effektiv hoste og gi smertelindring. Det er en fascinerende teknologi som kan gjøre en stor forskjell i livene til mennesker med ryggmargenskade.

Dimitra Blana og hennes kolleger på Keele jobber med hvordan man kan matche denne teknologien med det komplekse settet av instruksjoner som trengs for å betjene en arm. Hvis du vil hente den kopp te, hvilke muskler trenger å brenne, når og av hvor mye? Avfyringsinstruksjonene er kompliserte, og ikke bare på grunn av det store antallet kjerne-, skulder-, arm- og fingermuskler involvert. Når du sakte drikker teen din, endres disse instruksjonene, fordi koppens vekt endres. For å gjøre noe annerledes, som å skrape nesen, er instruksjonene helt forskjellige.

I stedet for å bare prøve ut forskjellige skyte mønstre på de lammede musklene i håp om å finne en som fungerer, kan du bruke datamodeller av muskelskjelettsystemet å beregne dem. Disse modellene er matematiske beskrivelser av hvordan muskler, bein og ledd virker og interagerer under bevegelse. I simuleringene kan du gjøre musklene sterkere eller svakere, "paralysert" eller "eksternt stimulert". Du kan teste forskjellige brennemønstre raskt og sikkert, og du kan få modellene til å plukke opp deres kopper igjen og igjen - noen ganger mer vellykket enn andre.


innerself subscribe graphic


Modellering av musklene

For å teste teknologien jobber teamet på Keele med Cleveland FES Center i USA, hvor de implantaterer opp til 24 elektroder inn i musklene og nerver av forskningsdeltakere. De bruker modellering for å bestemme hvor man skal plassere elektrodene fordi det er flere lammede muskler enn elektroder i dagens FES-systemer.

Hvis du må velge, er det bedre å stimulere subsapularis eller supraspinatus? Hvis du stimulerer den aksillære nerven, bør du plassere elektroden før eller etter grenen til terene mindre? For å svare på disse vanskelige spørsmålene, de kjører simuleringer med forskjellige sett med elektroder og velg den som tillater datamodellene å gjøre de mest effektive bevegelsene.

{Youtube} 1GKfWow6aFA {youtube}

For tiden jobber teamet på skulderen, som stabiliseres av en gruppe muskler som kalles rotatormanchetten. Hvis du får avfyringsinstruksjonene for armen feil, kan det komme til suppeske i stedet for smørkniven. Hvis du får instruksjonene til rotator mansjett feil, kan armen komme ut av skulderen. Det er ikke en god titt på datamodellene, men de klager ikke. Forskningsdeltakere ville være mindre tilgivende.

Å vite hvordan man aktiverer lammede muskler for å produsere nyttige bevegelser som å gripe, er bare halvparten av problemet. Vi må også vite når du skal aktivere musklene, for eksempel når brukeren ønsker å hente et objekt. En mulighet er å lese denne informasjonen direkte fra hjernen. Nylig, forskere i USA brukte et implantat for å lytte til individuelle celler i hjernen til en lammet person. Fordi ulike bevegelser er knyttet til forskjellige mønstre av hjerneaktivitet, kunne deltakeren velge en av seks forprogrammerte bevegelser som deretter ble generert ved stimulering av håndmusklene.

Leser hjernen

Dette var et spennende skritt fremover for nerveprotesen, men mange utfordringer forblir. Ideelt sett må hjerneimplantater vare i mange tiår - for øyeblikket er det vanskelig å ta opp de samme signalene selv over flere uker, slik at disse systemene må rekalibreres regelmessig. Ved hjelp av nye implantatdesigner or forskjellige hjernens signaler kan forbedre langsiktig stabilitet.

Også, implantater lytter bare til en liten andel av de millioner av celler som styrer våre lemmer, slik at rekkevidden av bevegelser som kan leses ut, er begrenset. Derimot, hjernen kontroll av robot lemmer med flere grader av frihet (bevegelse, rotasjon og griping) er oppnådd og evnen til denne teknologien utvikler seg raskt.

Til slutt styres de glatte, uanstrengt bevegelsene som vi vanligvis tar for gitt, av rik sensorisk tilbakemelding som forteller oss hvor armene våre er i rommet og når fingertuppene berører gjenstander. Disse signalene kan imidlertid også gå tapt etter skade forskere jobber på hjernenimplantater som en dag kan gjenopprette følelse så vel som bevegelse.

Noen forskere spekulerer på at hjernelesteknologien kan hjelpe uorganiserte personer til å kommunisere mer effektivt med datamaskiner, mobiltelefoner og til og med direkte til andre hjerner. Imidlertid forblir dette rike av science fiction, mens hjernekontroll for medisinske applikasjoner raskt blir klinisk virkelighet.

Om forfatterne

Dimitra Blana, forsker i biomedisinsk ingeniørfag, Keele universitet

Andrew Jackson, Wellcome Trust Seniorforsker, Newcastle University

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på Den Conversation. Les opprinnelige artikkelen.

Relaterte bøker

at InnerSelf Market og Amazon