Opvågning af lammede lemmer

En abe med en lam arm kan stadig gribe en bold, takket være et nyt system designet til at omsætte hjernesignaler til komplekse muskelbevægelser i realtid. Forskningen, præsenteret på Society for Neuroscience konference i Chicago i denne uge, kunne en dag tillade folk med rygmarvsskade at kontrollere deres egne lemmer.

Abe tænk, abe gør: Ved at omsætte elektriske signaler fra en abes hjerne til muskelsammentrækninger via implanterede elektroder, var et dyr med en lammet arm i stand til at gribe en bold.

Dette er et stort spring fremad – de viser aben bruge evnen til kunstigt at trække sin hånd sammen for rent faktisk at samle en bold op, siger Krishna Shenoy , neuroforsker ved Stanford University. Jeg tror, ​​det er den første demonstration af et kortikalt styret elektrisk stimulationssystem, der udfører en opgave, der i sidste ende ville være nyttig for en menneskelig patient.

Mens rygmarvsskade forhindrer hjernens elektriske signaler i at nå musklerne, har mennesker, der er lammet af disse skader, ofte intakte nerver og muskler i deres lemmer. En teknik kaldet funktionel elektrisk stimulation (FES), hvor implanterede elektroder leverer elektrisk strøm for at udløse muskelsammentrækninger, giver en måde at forbinde denne sløjfe igen.

Enheder, der kan genoprette håndfunktion og blærekontrol til nogle lammede patienter, er allerede blevet godkendt af U.S. Food and Drug Administration. Patienter bruger resterende muskelbevægelse til bevidst at kontrollere disse systemer – et system, der fungerer godt til nogle applikationer, men begrænser kompleksiteten af ​​den bevægelse, der kan udføres. For eksempel giver en FES-enhed folk mulighed for at trække på skulderen for at udløse en gribebevægelse med deres hånd, men de kan ikke kontrollere, hvor hårdt de skal gribe.

Nu, ved at parre FES-teknologi med hjerneimplantater, forsøger videnskabsmænd at skabe et mere intuitivt system til at kontrollere lammede lemmer, sådan at tanker om at bevæge en arm eller gribe med en hånd automatisk vil blive oversat til det mønster af elektrisk aktivitet, der er nødvendig for at udføre det. bevægelse. Det er meget mere naturligt, og hvis du kan afkode aktivitet i nok muskler, kan du bevæge flere led samtidigt, siger Robert Kirsch , en neurovidenskabsmand ved Case Western Reserve University, i Cleveland, OH. Normal hånd- og armbevægelse involverer flydende bevægelse af flere led, snarere end de begrænsede bevægelser, der er mulige i dag.

Christian Ethier, forsker i neuroforsker Lee Millers laboratoriet ved Northwestern University i Chicago har vist de første skridt hen imod denne form for system hos aber. Forskere gav hver abe en lokalbedøvelse for midlertidigt at blokere funktionen af ​​bøjenerverne i dens arm. Dyrene fik implanteret ledninger i deres arme for at levere elektrisk stimulus til musklerne, ligesom nerver ville, og en række elektroder implanteret i hjernen for at registrere elektrisk aktivitet fra den motoriske cortex.

Aberne blev først trænet til at samle en bold op og sætte den i et hul for at tjene en belønning. Ved at bruge hjerneaktivitet, der blev registreret under denne opgave, udviklede forskerne specialiserede dekoderalgoritmer, der ville oversætte hjerneaktivitet forbundet med bevægelsen af ​​forskellige muskler til en elektrisk stimulus for hver af fem bøjemuskler i armen i realtid, hvilket gør det muligt for aben at gribe dens hånd. . Vi kan forudsige, hvad aben forsøger at gøre med sine muskler og stimulere musklerne i overensstemmelse hermed, hvilket i det væsentlige giver aben frivillig kontrol gennem computeren i stedet for hans nerver, siger Miller.

Normalt havde dyrene med den lammede arm svært ved at fuldføre opgaven, idet de kun fik bolden ind i målet omkring 10 procent af tiden, sammenlignet med 100 procent før nerveblokken. Tænd for det hjernekontrollerede FES-system øgede de lammede dyrs succesrate til 77 procent. Forskerne viste også, at de kunne få aben til at bevæge sit håndled i forskellige retninger - de vil nu se, om de kan gentage resultaterne med de muskler, der styrer rækkevidden.

Menneskelige test er måske ikke langt væk. Kortikale implantater er allerede ved at blive testet i humane patienter. Case Westerns Kirsch præsenterede forskning på konferencen, der viste, at en lammet patient med et kortikalt implantat kunne kontrollere en sofistikeret computermodel af en arm. Kirsch og Miller har endnu ikke en specifik tidslinje til at sætte de to systemer - det kortikale implantat og FES-implantatet - sammen i mennesker, men Miller siger, at det ville være teknisk muligt om et år. De ønsker dog at vente, indtil forskerne har udviklet en trådløs og fuldt implanterbar version af det kortikale implantat, som nu er underudvikling på Brown University. Nuværende implantater har udragende ledninger, der øger risikoen for infektion og begrænser patienters mobilitet.

Tidligere forskning har vist, at patienter med disse implantater kan styre en computermarkør og foretage nogle bevægelser med en robotarm. Mens den forskning er spændende for mennesker, hvis lemmer er blevet amputeret, er den nye forskning anvendelig til patienter med rygmarvsskade. Mange mennesker ville stærkt foretrække at få deres arm genoplivet på en eller anden måde, siger Shenoy. Dette er et stort skridt fremad for denne patientpopulation.

skjule