211service.com
Hjernechips giver lammede patienter nye kræfter
Neurovidenskabsmænd drømmer om at skabe neurale proteser, der vil gøre det muligt for lammede patienter at genvinde kontrollen over deres arme og ben. Mens dette mål stadig er langt væk, rapporterer forskere ved Brown University og Massachusetts General Hospital om et lovende skridt fremad.
Matthew Nagle, en 25-årig mand, der blev lam efter et knivsår i 2001, var den første person, der testede et kirurgisk implanteret elektrodesystem. (Kredit: Joshua Paul.)
I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Natur i denne uge beskriver forskerne, hvordan to lammede patienter med en kirurgisk implanteret neural enhed med succes styrede en computer og i et tilfælde en robotarm - kun ved at bruge deres sind.
[Klik her for at se videoer af patienten styre en computermarkør og en håndprotese .]
Det er første gang, der er opnået sådanne resultater med neurale implantater hos mennesker. Forskerne forfiner nu det eksperimentelle system til et kommercielt produkt - et, der kan hjælpe patienter i deres daglige liv. De planlægger at gøre enheden trådløs og fuldt implanterbar og at forbedre hastigheden og kompleksiteten af bevægelser, som patienter, der bruger implantatet, kan udføre.
Det er et skelsættende studie, fordi det viser, at selv år efter skade kan du stadig optage nyttige signaler fra hjernen og bruge dem til at drive en enhed, siger Joseph Pancrazio , programdirektør for neural ingeniørforskning ved National Institutes for Neurological Disorders and Stroke i Bethesda, MD. Denne gruppe har virkelig rykket grænsen.
Under rygmarvsskader og nogle typer slagtilfælde forstyrres informationsrelæsystemet mellem hjernen og musklerne. Neurale enheder, som den, der blev brugt i undersøgelsen, sigter mod at optage og behandle eksisterende signaler og bruge dem til at styre en computermarkør, robotarm eller endda lammet lem. Brown/MGH-forskerne implanterede første gang en hjernechip i et menneske i juni 2004. Og selvom der har været tegn på succes siden da, Natur paper er den første peer-review publikation, der i detaljer beskriver, hvad lammede patienter kan gøre med implantatet. ( Teknologigennemgang rapporterede om Donoghues arbejde med Nagle sidste år i Implanting Hope, marts 2005.)
Hjerne-computer-grænsefladen brugt i undersøgelsen, lavet af Cyberkinetik Neurotechnology Systems i Foxborough, MA, består af en lille siliciumchip indeholdende 100 elektroder, der optager signaler fra hundredvis af neuroner i den motoriske cortex. En computeralgoritme oversætter derefter dette komplekse aktivitetsmønster til et signal, der bruges til at styre en ekstern enhed.
Den første patient implanteret med enheden, en 25-årig mand, der blev lam efter et knivsår i 2001, lærte med succes at styre en computermarkør, bevægede sig dygtigt gennem et e-mail-program og bruge computeren til at tænde et fjernsyn og skifte kanal. Da enheden blev koblet til en robothånd, lærte han hurtigt at styre hånden, idet han tog og tabte et stykke slik i en teknikers hånd. Det var spændende, for han opdagede det meget hurtigt - omkring ti minutter, siger John Donoghue , seniorforsker på projektet, grundlægger af Cyberkinetics og neuroforsker ved Brown University i Providence, RI. (Klik her for at se en video af patienten, der styrer en computermarkør og en håndprotese.)
To andre patienter i forsøget, begge med forskellige typer skader, lærte også at manipulere et computerprogram, selvom de endnu ikke har prøvet robotarmen. Resultaterne viser, at det er muligt at bruge disse enheder i en virkelig verden, men vi har en lang vej at gå før daglig brug, siger Donohue.
Neurovidenskabsmænd har brugt lignende enheder i aber og andre dyr i flere år, men Donohue's forsøg er det første til at teste kirurgisk implanterede elektrodearrays i menneskelige patienter. Det er et stort spring at bringe denne teknologi ind i mennesker, siger Stephen Scott , en neurovidenskabsmand ved Queen's University i Kingston, Ontario, som skrev en kommentar, der fulgte med papiret. Dette var ret vellykket i et første forsøg - patienterne viste nogle imponerende evner.
Selvom resultaterne er lovende, advarer eksperter om, at teknologien er i de tidlige stadier. Dette er stadig langt fra at være en nyttig enhed, der rent faktisk øger livskvaliteten for denne patient, siger Andrew Schwartz , en neurovidenskabsmand ved University of Pittsburg, der studerer lignende anordninger i dyr. Den samme teknologi fungerer bedre i aber, hvilket tyder på, at der skal arbejdes mere med at designe optageelektroderne og softwarefiltrene, siger han.
I øjeblikket er tilgængelige hjælpemidler til lammede patienter, såsom computerprogrammer aktiveret af stemme- eller øjenbevægelser, afhængige af et sekundært signal for at udføre kommandoen og kræver både en træningsperiode og et højt koncentrationsniveau. En implanteret enhed har potentialet til at hjælpe patienter på en meget mere naturlig måde. Den bruger al den information, hjernen bruger til at bevæge [musklerne], siger Donoghue. Fordi det efterligner hjernens normale behandlingssystem, kan patienter styre en markør og tale på samme tid, siger han.
Donoghue og kolleger tilpasser nu det eksperimentelle system til en enhed til bredere brug. Det nuværende system har ledninger, der forbinder implantatet til en ekstern computer gennem kraniet, hvilket medfører risiko for infektion. Forskerne planlægger at miniaturisere hardwaren og gøre den trådløs, så hele systemet kan implanteres.
Holdet udvikler også ny analysesoftware, som de håber vil tillade mere sofistikerede typer bevægelser. I øjeblikket kan patienter navigere i et e-mail-program eller lave grove bevægelser med en robotarm; men de kan ikke udføre mere komplekse opgaver, såsom at bruge robotarmen til at skrive på et tastatur eller til at spise en skål suppe.
For at udføre sådanne komplicerede bevægelser skal videnskabsmænd først skabe en bedre dekoder, algoritmen, der fortolker hjernens neurale signaler. Når hjernen forbereder sig på at bevæge f.eks. en hånd fra venstre mod højre, fyres millioner af neuroner i hjernens motoriske cortex på en bestemt måde. Forskerne genererer dekoderen ved at bede patienter om at forestille sig at bevæge deres hånd i en cirkel, hvilket får neuroner til at skyde, som om det lammede lem bevægede sig. Et computerprogram registrerer og behandler derefter denne information, hvilket i sidste ende skaber et filter, der omsætter efterfølgende neuronal aktivitet til de ønskede handlinger.
Men filteret har stadig en meget mere begrænset evne til at oversætte information, end hjernen gør. Den bruger data fra hundredvis af neuroner i stedet for millioner og indsamler information fra en enkelt del af hjernen. Donohue og kolleger udvikler nu forskellige typer algoritmer for at se, hvilke der er mest tilpasningsdygtige og udnytte de tilgængelige neurale signaler bedst muligt.
Vi kan teste forskellige algoritmer, og patienter kan fortælle os, hvilke der er nemmest eller føles mest naturlige, siger Leigh Hochberg, neurolog ved Massachusetts General Hospital og hovedforfatter af undersøgelsen. Jeg formoder, at hvis vi kan fortsætte med at forbedre afkodningen fra blot et lille område og måske optage fra flere områder af hjernen, vil vi muligvis være i stand til yderligere at forbedre mangfoldigheden af kontrolsystemer, der er tilgængelige for folk.
Andre videnskabsmænd udvikler også måder at gøre hjernegrænseflader meget hurtigere. For en patient kan det betyde forskellen mellem at kæmpe for at skrive en e-mail og at skrive en med en lille indsats. Arbejde med primater, Krishna Shenoy og kolleger ved Stanford University i Stanford, Californien, var i stand til at firdoble hastigheden af informationsoverførsel ved hjælp af et lignende implantat, men optagelse fra en anden del af hjernen. For et menneske ville det oversætte til at skrive 15 ord i minuttet i stedet for kun fire.
Donoghue planlægger til sidst at tilpasse sit system til at udføre en endnu større bedrift. Holdet samarbejder med forskere ved Case Western Reserve University i Cleveland, OH, for at skabe en enhed, der bruger signaler fra hjernen til elektrisk at stimulere lammede muskler, hvilket potentielt giver patienterne mulighed for at bevæge deres lemmer.
Ikke overraskende er det det, folk ønsker allermest. Da Donoghue spurgte en patient, om han ville foretrække at kunne lave sofistikerede bevægelser med en armprotese eller grove bevægelser med sin egen arm, valgte han det sidste. Ideen om at genoplive sin egen krop var meget vigtigere end hvor sofistikeret bevægelsen kunne være, siger Donoghue.