Förlamning och hjärnbyxkirurgi
Innehållsförteckning:
Vetenskapliga genombrott i hjärn-dator gränssnittsteknik kan erbjuda nytt hopp för att övervinna förlamning.
I den senaste förskottet återupptog en man med quadriplegia som förlamades för åtta år sedan, att han fick sin funktionella rörelse.
AnnonsAdvertisementHan matade sig med handen med hjälp av denna teknik, en första i medicinsk historia.
Forskare vid Case Western Reserve University i Ohio meddelade sina resultat den 28 mars i den brittiska medicinsk tidskriften The Lancet.
Case Western-meddelandet gjordes dagen efter entreprenören Elon Musk (av Tesla elbil och raketföretaget SpaceX) avslöjade planer på att utveckla en liknande teknik.
AnnonsMusks "neurala spets", enligt en rapport i Wall Street Journal, skulle länka en persons hjärna direkt med en dator.
Under tiden arbetar forskare vid Ohio State University (OSU) med en patient med förlamning och har utvecklat en teknik som liknar den hos Case Western.
OSU-teamet utvecklar tekniken med forskare vid Battelle Memorial Institute, en ideell organisation i Ohio som skapar medicinsk utrustning.
Läs mer: Exoskeletoner som hjälper människor med förlamning gå igen »
Dekoderande hjärnsignaler
Case Western-forskarna har arbetat med Bill Kochevar, en 53-årig med quadriplegia som skadades i en cykelolycka.
Forskarna implanterade en neuroprostes som avkodade sin hjärnsignal och överförde dem till sensorer i armen, vilket hjälpte honom att återfå rörelsen i handen och armen.
Robert Kirsch, doktor, ordförande för Case Western Department of Biomedical Engineering, verkställande direktör för universitetets funktionella elektriska stimulans (FES) Center, är seniorförfattare av forskningen.
AnnonsAdvertisementHan kallade genombrottet ett stort steg.
"Vi har visat möjligheten att spela in någons rörelseintentioner och sedan göra sin egen arm för att göra dessa rörelser", sa han.
Han tänker bara på att flytta armen och armen rör sig som han tänker. Bolu Ajiboye, Case Western Reserve UniversityKirschs kollega Bolu Ajiboye, doktor, biträdande professor i biomedicinsk teknik vid Case Western och forskningsassistent vid Louis Stokes Cleveland Veterans Administration Medical Center, förklarade hur tekniken fungerar.
Annons"Normal rörelse hos obehindrade personer uppstår eftersom motorbarken genererar ett rörelsekommando, representerat som elektriska signaler, som passerar genom ryggmärgen, och aktiverar sedan lämpliga muskler", sa Ajiboye Healthline.
En ryggmärgsskada hindrar de elektriska impulserna från att nå musklerna, förklarade han, men det ursprungliga rörelsekommandot är fortfarande korrekt kodat i hjärnans mönster av elektrisk aktivitet.
AnnonsAdvertisement"Vårt system registrerar mönstret för elektrisk aktivitet genom hjärnimplantatet och använder matematiska algoritmer för att avkoda den till ett rörelsekommando som är avsedd av den person med förlamning. Det kommandot omvandlas till ett elektriskt stimuleringsmönster som appliceras på rätt muskelgrupp för att producera rörelsen. Till herr Kochevar är processen sömlös och osynlig. I hans ord säger han att han bara tänker på att flytta armen och armen rör sig som han tänker. "
Ajiboye påpekade också vad den här nya tekniken inte är.
Vetenskap har försökt många gånger att "fixa" en skadad ryggrad genom vävnadsteknik och återväxt utan framgång, säger han.
Annons"Vi skulle älska för forskare att hitta ett sätt att återfå och återansätta ryggmärgen med hjälp av cellterapier," sa Ajiboye. "Men vårt nuvarande tillvägagångssätt använder teknik för att kringgå spinalskadorna för att få rörelsessignalerna från hjärnan till rätt uppsättning muskler för att producera rörelsen. "
Annan teknik som hjälper människor med förlamning att återfå funktioner är vanligtvis begränsade till enheter som de kan kontrollera med hjälp av sina röster och ögonrörelser eller genom att flytta sina huvuden.
AnnonsAdvertisementMen ingen av dessa enheter tillåter kontroll över ens eget lem.
"Vår enhet gör det möjligt för en användare att flytta sin egen lem bara genom att tänka", förklarade Ajiboye. "Jag vill klargöra att vårt system kringgår ryggradssjukdom, snarare än att försvaga förlamning. Utan systemet skulle användaren fortfarande vara förlamad, och det finns inga bevis som tyder på att användningen av detta system i slutändan skulle resultera i ryggradsproduktion eller skulle återinföra förmågan att röra sig utan systemet. "
Läs mer: Implantat hjälper människor med förlamning att återvinna användningen av sina lemmar»
Hur tekniken fungerar
Varför är Case Western-tekniken unik?
Systemet är det första som använder både ett hjärnimplantatdatagränssnitt med ett FES-system för att elektriskt aktivera förlamade muskler.
Tidigare har forskare behandlat ett antal människor med förlamning men med bara ett tillvägagångssätt eller det andra.
Kochevar är den första personen som upplever denna kombinerade teknik.
Ajiboye sa att många forskargrupper har använt hjärnans gränssnittssystem med människor och med icke-humana primater. Båda testgrupperna kunde utföra uppgifter som att flytta markörer på en datorskärm eller flytta robotarmar.
"Vårt FES-center för de senaste 25 till 30 åren har implanterat FES-system hos personer med ryggmärgsskador för att återställa ett antal funktioner, inklusive stående, promenader, andning och hand- och armrörelser", sa han.
Kochevar gick med i Case Western forskningsprojektet 2014. Han fick sina hjärnimplantat i december samma år.År 2015 implanterade Kirsch, Ajiboye och deras kollegor elektroderna i arm och handens muskler.
Kochevar lärde sig aktivera sina hjärnsignaler för att styra olika enheter.
"Vi först fick honom att se en virtuell arm flytta på en datorskärm, samtidigt som han föreställde sig att göra samma rörelser med sin egen arm", sa Ajiboye. "Detta genererade mönster av neural aktivitet. Vi utvecklade sedan en neural dekoder, en matematisk algoritm som relaterade genererade mönster av neurala aktiviteter med aspekter av de virtuella armrörelserna. "
Därefter hade de Kochevar kontrollen av den virtuella armen genom att generera mönster av hjärnsignaler som tolkades av den neurala avkodaren, sade Ajiboye.
Kochevar tränade för att flytta den virtuella armen med precision till angivna mål i arbetsytan. Forskarna kvantifierade sin hjärnkontroll över den virtuella armen och upptäckte att han kunde kontrollera det nästan omedelbart, sade Ajiboye. Dessutom uppnådde Kochevar relativt snabbt en framgångsgrad på 95-100 procent av målnoggrannheten.
Slutligen hade forskarna Kochevar försök att flytta armen genom FES-stimulans i en tvåstegs process.
"Vi flyttade manuellt armen (via elektrisk stimulering) och instruerade honom att föreställa sig att han hade kontroll över sina armrörelser," sa Ajiboye. "Detta bidrog igen till att generera önskade mönster av neural aktivitet, som vi brukade bygga och förfina vår neurala avkodare. Vi fick honom använda den slutliga neurala avkodaren för att beordra rörelserna i sin egen arm, återupplivad genom elektrisk stimulering. Han kunde omedelbart flytta armen som önskad och har successivt blivit bättre med ökad användning. "
I en video som släpptes av Case Western sa Kochevar," Det var fantastiskt för att jag tänkte på att flytta armen och det gjorde det. Jag kunde flytta in och ut, upp och ner. "
Eftersom Kochevar hade långvarig förlamning var hans muskler initialt svaga och lätt trötta. Ajiboye sa.
För att bygga upp sin muskelstyrka och motståndskraft mot trötthet, "lagde" laget sina muskler i flera timmar om dagen med elektrisk stimulering utan hjärnans gränssnittssystem.
Med tiden ökade denna elektriskt stimulerade övning sin muskelstyrka och sin förmåga att använda systemet längre utan trötthet.
Läs mer: Man återvinner gångförmågan genom att använda sina egna hjärnvågor »
Hjärnans gränssnitt
I likhet med Case Western-innovationer hjälpte Ohio State Innovation en man med quadriplegia att använda sin hand efter år av förlamning.
Forskargruppen leddes av doktor Ali Rezai, professor i neurokirurgi och neurovetenskap, och chef för Center for Neuromodulation vid universitetets Wexner Medical Center.
Patienten, Ian Burkhart, upplevde en allvarlig ryggmärgsskada vid 19 års ålder under en dykolycka. Det lämnade honom med liten funktion och rörelse i axlar och biceps, och ingen rörelse från armbågarna till hans händer.
"Vårt team har utvecklat en hjärn-dator gränssnittsteknik som omger den skadade ryggmärgen, vilket gör att en patient som Ian med ryggmärgsskada och quadriplegia och ingen funktion av hans händer i fem år för att helt enkelt använda sina tankar att flytta hans livlös hand att komma till liv och under hans volontärkontroll ", berättade Rezai Healthline.
I april 2014 implanterade Rezai en mikrochip på storleken av huvudet på en penna suddgummi på ytan av motorcortexen i Burkharts hjärna. Chipens 96 mikroelektroder registrerade avfyrningen av hans individuella neuroner.
Rezai och hans kollegor utvecklade det neurala bypass-systemet, som registrerar och analyserar hjärnaktiviteten som uppstår när Burkhart avser att röra sin hand.
Efter att ha gått igenom den skadade ryggmärgen och skadad anslutning från hjärnan till muskelnerven, kopplar systemet Burkharts hjärnsignal med en yttre plaggbock, sade Rezai.
Detta gör att Burkhart kan röra sin hand.
"Hjärnimplantat registrerar och tolkar hjärnsignaler kopplade till tankar och länkar dem till ett yttre slitstarkt plagg för att styra sina muskler", förklarade Rezai. "Det är ett neuromuskulärt stimulanssystem. Tankar som är förknippade med en avsikt att röra sig - till exempel att öppna handen - är länkade och anslutna inom millisekunder till faktisk funktionell handrörelse. "
Den första generationen av det yttre bärbara mantelplagget och stimulanssystemet, säger han, har upp till 160 stimulerande elektroder" som består av super flexibel hydrogel - en högupplösning, högupplösning av elektroder som överensstämmer med olika former och konturer som underarm. "
Plagget kan formas till en ärm, en handske, en socka, byxor, bälte, huvudband och andra formfaktorer.
"Betydande komplexitet och samordning behövs för att tillåta rörelser på ett jämnt sätt att plocka upp en omrörare för att röra kaffet, använda en tandborste eller spela ett videospel", sa han. "Denna maskininlärningsalgoritm förbättrar och förädlar rörelserna från grova och hakiga rörelser, till mer släta och flytande rörelser. "
Läs mer: Bionic-teknik som hjälper till att återställa muskelkontrollen
Optimism för framtiden
Neurologer som observerar de senaste genombrotten är imponerade och optimistiska.
Joseph O'Doherty, doktor, senior doktorand vid Philip Sabes Lab vid University of California, San Francisco, Center for Integrativ Neurovetenskap, kallar dessa nya framsteg inom gränssnittstekniken för hjärn-dator gränsöverskridande. "
" Den här undersökningen visar att förlamade lemmar kan återuppvakas - genom ensam tankar - för att återställa de samordnade rörelserna som är viktiga för det dagliga livet: att nå, greppa, äta och dricka ", sa han till Healthline. "Det är en bevis-princip-demonstration som ökar möjligheten att liknande terapier snart kan hitta adoption utanför kliniken. "
Forskare har arbetat med gränssnitt mellan hjärn och dator, i någon form eller annan, sedan slutet av 1960-talet, sa han. Fältet har utvecklats från kontrollen av datormarkörer, till rörliga rullstolar och robotarmar, till att nu återställa frivillig kontroll över lemmarna.
"Ryggmärgsskada försämrar ofta känslan av beröring såväl som förmågan att röra sig", säger O'Doherty. "Återställande av lemmar sensationer kommer att vara ett viktigt element i neuroprosteser som tillåter vätska och naturliga rörelser. "
" Det finns fortfarande många utmaningar att övervinna, men det nya resultatet kombinerat med många relaterade framsteg inom trådlös teknik, batteriteknik, materialvetenskap och mer gör mig mycket optimistisk om neuroprosthetiska enheter för att återställa rörelse och känsla blir allmänt tillgängliga. "
Dessa innovationer erbjuder hopp och potential för rörelseåterställning och ökat oberoende för många patienter som lever med förlamning eller andra fysiska funktionshinder. Dr. Ali Rezai, Ohio State University Wexner Medical CenterRezai sa att 12 000 individer i USA håller årligen en ryggmärgsskada och 300 000 lever med sådana skador från motorfordonsolyckor, trauma, sportskador, och faller.
Mindre än 1 procent uppnår full återhämtning, och de flesta har underskott som bygger på olika hjälp- och adaptiv teknik för att ge en begränsad grad av självständighet.
"Dessa innovationer erbjuder hopp och potentialen för rörelseåterställning och ökat oberoende för många patienter som lever med förlamning eller andra fysiska funktionshinder," sade Rezai. "Förutom motorförbättringar har denna teknik potentiella konsekvenser för dem med sensoriska underskott, kronisk smärta, tal, stroke, kognitiv, ångest och beteendepåverkan. "Rezai sade att han är hoppfull att snart kommer de med fysiska, sensoriska, kognitiva och andra funktionshinder att ha möjlighet att vara mer funktionella, ha mer självständighet och bättre livskvalitet.
"Vårt mål är att göra denna teknik mindre invasiv, minska enhetens storlek, miniatyrera sensorerna, göra systemet trådlöst och ge systemet hemma istället för i laboratoriet", sa han.
Case Western-teamet arbetar också för att avancera sitt system tekniskt.
"Vi behöver utveckla ett trådlöst hjärngränssnitt för att ersätta kabeln som ansluter användaren till en uppsättning inspelningsdatorer," sa Ajiboye. "Vi behöver förbättra hjärnimplantatet för livslängd, öka antalet neuroner vi kan spela in från och utveckla ett fullt implanterat hjärngränssnitt och funktionellt elektriskt stimulanssystem. ”
