Patient viser ny behændighed med en sindkontrolleret robotarm

En kvinde, der er fuldstændig lammet under nakken, har genvundet evnen til at række ud og interagere med verden omkring hende takket være den hidtil mest avancerede hjerne-computer-grænseflade til at betjene en robotarm.

I februar implanterede kirurger to fire millimeter gange fire millimeter elektrode-arrays i deltagerens motoriske cortex, det område af hjernen, der starter bevægelser. Hver chip har 96 elektroder og er forbundet gennem kraniet til en computer, der omsætter hendes tanker til signaler til robotarmen. Arbejdet, udført af forskere fra University of Pittsburgh, er rapporteret i det seneste nummer af The Lancet .

Tanke kontrol: Jan Scheuermann driver en robotprotese med sine tanker, som optages af elektroder i hendes hjerne og derefter tolkes af en computer.

Arbejdet er det seneste fremskridt for at vise, hvordan hjernestyret grænsefladeteknologi kan genoprette en vis bevægelse til quadriplegics. I maj i år beskrev forskere ved Brown University, hvordan en lammet patient kunne bruge et robotlem til at udføre grundlæggende opgaver, herunder at give sig selv en drink kaffe (se Brain Chips Helps Quadriplegics Move Robotic Arms with Their Thoughts). Deltageren i det nye studie har dobbelt så mange elektroder i hjernen som kvinden i Brown-studiet og kan demonstrere mere komplekse håndbevægelser med sit robotlem.

Vi gengiver mere af en naturlig og realistisk bevægelse af arm og hånd, siger Andrew Schwartz , en neurovidenskabsmand ved University of Pittsburgh og seniorforfatter på undersøgelsen.

Nogle eksperter advarer dog om, at det er svært at drage konklusioner om teknologiens potentiale ud fra en enkelt sag.

Miguel Nicolelis pladsholderbillede , en hjerne-maskine-grænsefladeforsker ved Duke University, bemærker, at optagelse fra flere neuroner gør det muligt at forbedre præcision og kompleksitet i bevægelserne af tilsluttede enheder. Han tilføjer dog, at det er svært at sige, hvor mange neuroner Pittsburgh-holdet faktisk optog fra. Der er lidt dokumentation for hjernens signal, siger Nicolelis fra Lancet papir, der beskriver arbejdet. Det ville være rigtig dejligt, hvis de havde nået 200-neuron-grænsen, men det er der vist ingen dokumentation for, siger han.

Det Lancet undersøgelsen beskriver kvindens fremskridt, da hun betjener robotarmen over 13 uger. Efter at elektroderne var implanteret i hendes hjerne, begyndte hun sin træning med at se armen bevæge sig og forestille sig, at hun styrede den. Alt imens registrerede computeren neural aktivitet i hendes motoriske cortex, og denne information blev brugt til bedre at afkode hendes hensigter til bevægelser af robotarmen. Så begyndte vi at give hende lidt kontrol, siger Jennifer Collinger , en biomedicinsk ingeniør i Pittsburgh og den første forfatter på undersøgelsen. Det genererer en feedback-loop - hun kan se, om det, hun tænker, bevæger armen i den rigtige retning eller ej. Til sidst tog vi de træningshjul af og gav hende fuld kontrol.

På den anden dag i brug var deltageren i stand til at bevæge armen i tre dimensioner på egen hånd. Med øvelse var hun i stand til at flytte terninger og andre genstande rundt på et bord og endda samle en sten på to pund op. Kvinden arbejder videre med forskerne. Hun var for nylig i stand til at hente et stykke chokolade og fodre sig selv, siger Schwartz.

Som en rygmarv har robotarmen, der blev brugt i undersøgelsen, en vis evne til at kontrollere sin egen bevægelse. Års studier i primater om, hvordan den motoriske cortex koordinerer håndbevægelser, hjalp holdet med at udvikle teknologien, der kunne omsætte deltagerens tanker til mere flydende og naturlige bevægelser, siger Gregoire Courtine , neuroforsker ved det schweiziske føderale teknologiske institut Lausanne i Schweiz.

Når dyr bevæger sig, følger de bestemte sæt regler, og det viser sig, at vi kan opfange det i de neurale signaler, som vi optager fra den motoriske cortex, siger Schwartz.

Armen, som blev udviklet under en kontrakt fra Defense Advanced Research Projects Agency, har 17 motorer, der styrer 26 led i, hvad der er det mest sofistikerede kunstige lemmersystem i verden. Armen er designet til at kunne efterligne et menneskeligt lem, siger Michael McLoughlin, programleder for Modulært proteseprojekt , som er baseret på Johns Hopkins University i Maryland. Johns Hopkins-teamet har bygget seks af de robotlemmer, der er i brug af forskellige forskningsgrupper i USA, siger McLoughlin.

Et afgørende næste skridt for Pittsburgh-holdet vil være at inkorporere sensorisk feedback i protesen. Armen har over 100 sensorer, siger McLoughlin, der er i stand til at detektere vibrationer, tryk, temperatur og mere. Holdet arbejder også på at udvikle en trådløs version af hjerne-maskine-grænsefladen, så deltagerne ikke skal have elektronik stikkende ud af hovedet.

Forskerne håber også at rekruttere flere deltagere til at arbejde med protesen, og at fortsætte med at forbedre teknologien, så laboratoriets mærkværdighed en dag kan omsættes til terapeutisk brug, siger Schwartz.

skjule