Вчені використали бездротовий "мозок-спинномозковий інтерфейс", щоб обійти пошкодження спинного мозку в парі резус-макак, відновлюючи навмисні рухи при ходьбі тимчасово паралізованої ноги.
Дослідники кажуть, що це перший випадок використання нейронного протеза для відновлення рухового руху безпосередньо до ніг нелюдських приматів.
«Система, яку ми розробили, використовує сигнали, записані з моторної кори мозку, щоб викликати координовану електричну стимуляцію нервів у хребті, які відповідають за переміщення»,-каже Девід Бортон, доцент інженерного факультету Університету Брауна та співавтор дослідження. дослідження. "З увімкненою системою тварини у нашому дослідженні мали майже нормальні рухи".
Робота може допомогти у розробці подібної системи, призначеної для людей, які мали травми спинного мозку.
Відновіть спілкування
"Є дані, які свідчать про те, що система стимуляції хребта, керована мозком, може покращити реабілітацію після травми спинного мозку",-каже Бортон. "Це крок до подальшої перевірки цієї можливості".
Грегуар Кортін, професор Федеральної політехнічної школи Лозани (EPFL), який керував співпрацею, розпочала клінічні випробування у Швейцарії, щоб перевірити хребетну частину інтерфейсу. Він застерігає: «Попереду багато викликів, і може пройти кілька років, перш ніж усі складові цього втручання будуть випробувані на людях».
Ходьба можлива через складну взаємодію нейронів головного та спинного мозку. Електричні сигнали, що походять від моторної кори головного мозку, рухаються вниз до поперекового відділу в нижньому відділі спинного мозку, де вони активують рухові нейрони, які координують рух м’язів, відповідальних за розгинання та згинання ноги.
Травма верхнього відділу хребта може перервати зв'язок між головним і нижнім спинним мозком. І моторна кора, і спинномозкові нейрони можуть бути повністю функціональними, але вони не здатні координувати свою діяльність. Метою дослідження було відновлення частини цього спілкування.
Інтерфейс мозок-хребет використовує електродний блок розміром з пігулку, імплантований у мозок, для запису сигналів від моторної кори. Технологія датчиків була частково розроблена для дослідницького використання на людях спільно з BrainGate, дослідницькою групою, до складу якої входять Браун, Університет Кейс Вестерн Резерв, Загальна лікарня штату Массачусетс, Медичний центр Провіденсу і Стенфордський університет.
Ця технологія використовується в поточних пілотних клінічних випробуваннях і раніше використовувалася в а вчитися під керівництвом нейроінженера Брауна Лі Хохберга, в якому люди з тетраплегією змогли управляти роботизованою рукою, просто думаючи про рух власної руки.
Бездротовий нейросенсор, розроблений в лабораторії нейроінженерії професора Брауна Арто Нурмікко командою, до складу якої входив Бортон, бездротово надсилає сигнали, зібрані чіпом мозку, до комп’ютера, який їх розшифровує, і надсилає бездротовим шляхом назад до електричного стимулятора хребта, імплантованого в поперековому відділі. хребта, нижче зони травми. Ця електрична стимуляція, що подається у шаблонах, координованих декодованим мозком, подає сигнали до спинномозкових нервів, які керують рухом.
Щоб відкалібрувати декодування сигналів мозку, дослідники імплантували датчик мозку та бездротовий передавач у здорових макак. Потім сигнали, що передаються датчиком, можна відобразити на рухах ніг тварин. Вони показали, що декодер здатний точно передбачити стану мозку, пов'язані з розгинанням і згинанням м'язів ніг.
Бездротовий зв'язок має вирішальне значення
Здатність бездротової передачі сигналів мозку була критичною для цієї роботи, каже Бортон. Провідні системи зондування мозку обмежують свободу рухів, що, в свою чергу, обмежує інформацію, яку дослідники можуть збирати про переміщення.
«Зробивши це бездротовим зв'язком, ми зможемо зіставити нейронну активність у нормальних умовах і під час природної поведінки», - каже Бортон. "Якщо ми справді прагнемо до нейропротезування, яке колись може бути використано для допомоги пацієнтам під час повсякденного життя, такі технології запису без прив'язки будуть критичними".
Для поточної роботи, опублікованої в природа, Дослідники об’єднали своє розуміння того, як сигнали мозку впливають на рух, з картами хребта, розробленими лабораторією Кортін у EPFL, які визначили нервові гарячі точки в хребті, відповідальні за руховий контроль. Це дозволило команді визначити нейронні ланцюги, які повинні бути стимульовані спінальним імплантатом.
Встановивши ці частини, дослідники протестували всю систему на двох макаках з ураженнями, які охоплювали половину спинного мозку в їх грудному відділі хребта. Дослідники кажуть, що макаки з таким типом травми зазвичай відновлюють функціональний контроль над ураженою ногою протягом приблизно місяця. Команда перевіряла свою систему протягом кількох тижнів після травми, коли ще не було вольового контролю над ураженою ногою.
Висновки показують, що з увімкненою системою тварини почали спонтанно рухати ногами під час ходьби по біговій доріжці. Кінематичні порівняння зі здоровими контролями показали, що пошкоджені макаки за допомогою стимуляції, контрольованої мозком, могли виробляти майже нормальні рухові моделі.
Незважаючи на те, що демонстрація того, що система працює у нелюдських приматів, є важливим кроком, дослідники підкреслили, що для того, щоб почати тестування системи на людях, потрібно зробити ще багато роботи. Вони також вказали на кілька обмежень у дослідженні.
Наприклад, хоча система, використана в цьому дослідженні, успішно передавала сигнали від мозку до хребта, вона не має можливості повертати сенсорну інформацію до мозку. Команда також не змогла перевірити, який тиск тварини змогли чинити на уражену ногу. Хоча було зрозуміло, що кінцівка має певну вагу, з цієї роботи не було зрозуміло, наскільки.
"У повному трансляційному дослідженні ми хотіли б зробити більш кількісну оцінку того, наскільки врівноважена тварина під час ходьби, і виміряти сили, які вони можуть прикладати", - каже Бортон.
Незважаючи на обмеження, дослідження створює основу для майбутніх досліджень у приматів і, в певний момент, потенційно як допоміжний засіб для реабілітації у людей.
"У нейронауці існує приказка, згідно з якою ланцюги, які з'єднуються між собою, з'єднуються між собою", - каже Бортон. «Тут ідея полягає в тому, що, залучаючи разом головний і спинний мозок, ми можемо посилити зростання ланцюгів під час реабілітації. Це одна з головних цілей цієї роботи і мета цієї галузі загалом ».
Фінансування надходило із сьомої Рамкової програми Європейського Співтовариства, Міжнародного фонду досліджень у параплегії Початковий грант від Європейської дослідницької ради, Центру Вісса у Женеві Стипендії Марії Кюрі, Стипендії Марії Кюрі COFUND EPFL, Стипендії Фонду лікування паралічів Medtronic Morton, NanoTera.ch Програма, Національний центр компетентності в галузі досліджень робототехніки Sinergia, Китайсько-швейцарське науково-технічне співробітництво та Швейцарський національний науковий фонд.
джерело: Університет Брауна
{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}
Схожі книги:
at InnerSelf Market і Amazon
