Forskere har brukt et trådløst "hjerne-spinal-grensesnitt" for å omgå ryggmargenskader i et par rhesusmakakker, gjenopprette forsettlig bevegelsesbevegelse til et midlertidig lammet leg.

Forskere sier at dette er første gang en nerveproteser har blitt brukt til å gjenopprette gående bevegelse direkte til beina til ikke-menneskelige primater.

"Systemet vi har utviklet bruker signaler registrert fra hjernens motorcortex for å utløse koordinert elektrisk stimulering av nerver i ryggraden som er ansvarlig for lokomotiv," sier David Borton, assisterende professor i ingeniørfag ved Brown University og en medforfatter forfatter av studien. "Da systemet ble slått på, hadde dyrene i studien vår nesten normale lokomotiv."

Arbeidet kan bidra til å utvikle et lignende system designet for mennesker som har hatt ryggmargenskader.

Opprettholde kommunikasjon

"Det er bevis for at et hjernekontrollert spinalstimuleringssystem kan forbedre rehabilitering etter ryggmargsskade, sier Borton. "Dette er et skritt mot ytterligere testing av muligheten."

Grégoire Courtine, professor ved Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL) som ledet samarbeidet, har startet kliniske studier i Sveits for å teste ryggraden i grensesnittet. Han advarer: "Det er mange utfordringer fremover, og det kan ta flere år før alle komponentene i denne inngrepet kan testes hos mennesker."

Å gå er mulig på grunn av et komplekst samspill mellom nevroner i hjernen og ryggmargen. Elektriske signaler med opprinnelse i hjernens motoriske cortex beveger seg ned til korsryggen i nedre ryggmargen, hvor de aktiverer motoriske nerveceller som koordinerer bevegelsen til muskler som er ansvarlige for å strekke og bøye benet.

Skader på den øvre ryggraden kan kutte av kommunikasjon mellom hjernen og nedre ryggmargen. Både motorbarken og spinalnervene kan være fullt funksjonelle, men de er ikke i stand til å koordinere deres aktivitet. Målet med studien var å gjenopprette en del av denne kommunikasjonen.

Hjernespinalgrensesnittet bruker en pille-størrelse elektrod array implantert i hjernen for å registrere signaler fra motor cortex. Sensorteknologien ble utviklet delvis for undersøkelsesbruk hos mennesker av BrainGate-samarbeidet, et forskningsgruppe som inkluderer Brown, Case Western Reserve University, Massachusetts General Hospital, Providence VA Medical Center og Stanford University.

Teknologien blir brukt i pågående pilot kliniske studier, og ble tidligere brukt i a studere ledet av Brown neuroengineer Leigh Hochberg der personer med tetraplegia kunne operere en robotarm ganske enkelt ved å tenke på egen håndbevegelse.

En trådløs neurosensor, utviklet i neuroengineering laboratoriet av Brown professor Arto Nurmikko av et team som inkluderte Borton, sender signalene samlet av hjernen chip trådløst til en datamaskin som dekoder dem og sender dem trådløst tilbake til en elektrisk spinal stimulator implantert i lumbale ryggraden, under skadeområdet. Den elektriske stimuleringen, levert i mønstre koordinert av den dekodede hjernen, signalerer til ryggnerven som styrer lokomotiv.

For å kalibrere dekoding av hjernesignaler, implanterte forskerne hjerneføleren og den trådløse senderen i sunne makaques. Signalene som resettes av sensoren, kan deretter kartlegges på dyrets beinbevegelser. De viste at dekoderen kunne nøyaktig forutsi hjernestatusene knyttet til forlengelse og bøyning av beinmuskulaturen.

Trådløs er avgjørende

Evnen til å overføre hjernens signaler trådløst var avgjørende for dette arbeidet, sier Borton. Wired hjerne-sensing systemer begrenser bevegelsesfriheten, som igjen begrenser den informasjonen forskerne er i stand til å samle om lokomotiv.

"Å gjøre dette trådløst gjør at vi kan kartlegge nevrale aktiviteten i normale sammenhenger og under naturlig oppførsel, sier Borton. "Hvis vi virkelig satser på neuroprosthetikk som en dag kan bli utplassert for å hjelpe menneskelige pasienter under dagliglivets aktiviteter, vil slike ubundne opptaksteknologier være kritiske."

For gjeldende arbeid, publisert i Natur, Forskerne kombinerte sin forståelse av hvordan hjernens signaler påvirker bevegelse med ryggraden, utviklet av Courtines laboratorium ved EPFL, som identifiserte nevrale hotspots i ryggraden som var ansvarlig for lokomotorisk kontroll. Det gjorde det mulig for teamet å identifisere nevrale kretser som bør stimuleres av spinalimplantatet.

Med disse brikkene på plass, testet forskerne hele systemet på to makaques med lesjoner som spant halvparten av ryggmargen i deres thoracale ryggrad. Macaques med denne type skade gjenoppretter generelt funksjonell kontroll av det berørte benet over en periode på en måned eller så, sier forskerne. Teamet testet sitt system i ukene etter skaden, da det fortsatt ikke var noen kontroll over det berørte beinet.

Resultatene viser at med systemet startet, begynte dyrene spontant å bevege beina mens de gikk på tredemølle. Kinematiske sammenligninger med sunne kontroller viste at de lesioned makaques, ved hjelp av hjernekontrollert stimulering, var i stand til å produsere nesten normale lokomotoriske mønstre.

Samtidig med å demonstrere at systemet fungerer i et ikke-humant primat er et viktig skritt, understreket forskerne at mye mer arbeid må gjøres for å begynne å teste systemet hos mennesker. De pekte også på flere begrensninger i studien.

For eksempel, mens systemet som brukes i denne studien, vellykkede relayed signaler fra hjernen til ryggraden, mangler det evnen til å returnere sensorisk informasjon til hjernen. Teamet var heller ikke i stand til å teste hvor mye press dyrene kunne søke på den berørte beinet. Mens det var klart at lemmen hadde noen vekt, var det ikke klart fra dette arbeidet hvor mye.

"I en fullstendig oversettelsesstudie vil vi gjøre mer kvantifisering om hvor balansert dyret er under gang og måle krefter de kan søke," sier Borton.

Til tross for begrensningene setter forskningen scenen for fremtidige studier i primater og, på et tidspunkt, potensielt som rehabiliteringshjelp hos mennesker.

"Det er et ordtak i nevrovitenskap at kretser som brenner sammen sammen," sier Borton. "Ideen her er at ved å engasjere hjernen og ryggmargen sammen, kan vi muligens øke veksten av kretsene under rehabilitering. Det er et av hovedmålene for dette arbeidet og et mål for dette feltet generelt. "

Finansiering kom fra Det europeiske fellesskapets syvende rammeprogram, International Foundation for Research in Paraplegia Starting Grant fra European Research Council, Wyss Center i Genève Marie Curie Fellowship, Marie Curie COFUND EPFL stipendier, Medtronic Morton Cure Paralysis Fund fellowship, NanoTera.ch Program, National Center of Competence in Research in Robotics Sinergia program, Sino-Swiss Science and Technology Cooperation, og Swiss National Science Foundation.

kilde: Brown University

{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}

Relaterte bøker:

at InnerSelf Market og Amazon