Omledning af hjernen

Et par delvist lammede aber genvandt evnen til at bevæge deres håndled, da forskere koblede individuelle neuroner direkte til abens armmuskler, ifølge en undersøgelse offentliggjort online i Natur på onsdag.

Bevæg en muskel: Lammede aber genvandt evnen til at bevæge deres håndled, da deres nervesystem blev omkoblet. Ved at forbinde hjerneceller direkte til muskelceller via en computer, der oversætter hjerneaktivitet til et elektrisk stød, omgik forskerne den fejlbehæftede forbindelse, så aberne kunne flytte deres tidligere lammede håndled for at manipulere en markør ind i en boks på skærmen.

Denne tilgang ville være meget relevant for patienter med rygmarvsskade, siger Northwestern University neurovidenskabsmand Lee Miller , som ikke var involveret i arbejdet.

Forskerne, anført af Eberhard Fetz , professor i fysiologi og biofysik ved University of Washington , midlertidigt lammet hver abes arm. Derefter omdirigerede de hjernesignaler rundt om den blokerede nervebane ved at føre ledninger fra en enkelt neuron i den motoriske cortex - hjerneområdet, der er ansvarligt for bevægelse - gennem en computer og ind i en muskel i armen. Når neuronen affyrede over en vis hastighed, oversatte computeren signalet til et stød af elektricitet til armmusklen, hvilket fik den til at trække sig sammen.

Som en test af omledningerne fik forskerne hver abe til at spille et simpelt videospil. Ved at bevæge sit håndled kunne aben manipulere en markør på en computerskærm. At flytte markøren ind i en boks ved siden af ​​skærmen gav aben en belønning. Selvom den omkoblede hjernecelle blev valgt tilfældigt, lærte aberne hurtigt at bevæge deres lammede håndled.

Vi fandt bemærkelsesværdigt nok, at næsten alle neuroner, som vi testede i hjernen, kunne bruges til at kontrollere denne form for stimulering, siger Chet Moritz, en seniorforsker ved University of Washington og medforfatter af papiret. Selv neuroner, som ikke var relateret til håndleddets bevægelse før nerveblokken, kunne bringes under kontrol og co-opteres.

Normalt ville armbevægelser - selv sammentrækningen af ​​en enkeltarmsmuskel - ikke skyldes affyring af en enkelt neuron, men fra den koordinerede handling af mange neuroner i den motoriske cortex. Disse neuroner ville igangsætte et elektrisk signal, der forplantede sig ned i rygmarven og gennem perifere nerver for at udløse armbevægelser skræddersyet til abens hensigt.

Andre grupper har registreret disse komplekse neuron-affyringsmønstre og brugt computeralgoritmer til at omsætte dem til handling - for eksempel ved at flytte en computermarkør. I stedet forbandt University of Washington-gruppen en enkelt neuron til en enkelt muskel. Vores tilgang er at skabe den rå forbindelse mellem enkelte neuroner i hjernen og muskler, eller grupper af muskler, og lade aben lære at bruge denne forbindelse.

At bruge en enkelt neuron har sine fordele, siger Moritz. At oversætte en celles affyringshastighed til et elektrisk stød er en ligetil beregning, som let kan udføres med en enhed på størrelse med en mobiltelefon. At oversætte samtidige målinger til en række koordinerede muskelbevægelser kræver langt mere computerkraft.

Men for at single-neuron-tilgangen skal være nyttig for en lammet patient, skal den opskaleres med succes. Sammentrækning af den ene armmuskel giver ringe praktisk belønning; bevægelser som at række og gribe kræver mange muskler for at arbejde sammen. Forskerne har allerede taget skridt i denne retning. For det første viste de, at en enkelt celle kunne arbejde med to forskellige muskler: en høj affyringshastighed fik håndleddet til at bøje, mens en lav affyringshastighed fik det til at strække sig. Dernæst tilsluttede de to omdirigerede forbindelser på samme tid, med en neuron forbundet til den håndledsforlængende muskel og en anden til den håndledsbøjende muskel.

Men Andrew Schwartz , professor i neurobiologi ved University of Pittsburgh , er skeptisk. En bevægelig arm, siger Schwartz, er et meget kompliceret mekanisk system. Enhver given sofistikeret armbevægelse kræver ikke kun et stort antal præcist koordinerede muskler, der virker på tværs af flere komplekse led, men også udbredelsen af ​​kræfter langs lemmen. Hvis din hensigt er at generere en bevægelse, skal du på en eller anden måde beregne effekten af ​​alle disse kræfter på tværs af armen, siger Schwartz. Det er ikke bare, ’Aktivér en muskel, og armen går, hvor du vil.’ Der er meget matematik involveret.

Ifølge University of Washington-gruppen kan det være muligt at omgå spørgsmålet om, hvordan man genererer indviklede bevægelser ved at forbinde en enkelt hjernecelle direkte til en bestemt region af rygmarven . Stimulering af et enkelt sted i rygmarven vil ofte aktivere 10 til 15 forskellige muskler i en præcis balance, siger Moritz.

Ud over eventuelle teoretiske mangler ved single-neuron-strategien, er der en række teknologiske forhindringer, der skal overvindes, før den kan bruges i patienter. Elektrodeaflæsninger fra en individuel hjernecelle kan nedbrydes over tid, hvilket potentielt ødelægger den omdirigerede forbindelse. Som et resultat, siger Moritz, ville enhver langsigtet opsætning kræve en vis grad af redundans.

Desuden tilføjer han, at systemet ideelt set ville være fuldt implanterbart. Når ledninger stikker ud gennem huden, som de gjorde i abeforsøgene, introducerer de risiko for infektion og forstyrrelse. Gruppen planlægger at tackle dette problem med miniaturiserede komponenter og trådløs teknologi.

Fordi deres tilgang kræver relativt lidt computerkraft, siger Moritz, tror vi, at vi kan være et skridt tættere på lav-effekt, fuldt implanterbare systemer.

skjule