Двамата пациенти с парализа бяха вдигнати и ходеха по бягаща пътека за нула време. Този впечатляващ подвиг стана възможен от безпрецедентно нова операция, при която изследователите имплантираха безжични устройства в мозъка на пациентите, регистрирали мозъчната им активност. Технологията позволи на мозъка да общува с краката - заобикаляйки счупените пътища на гръбначния мозък - за да може пациентът отново да си върне контрола.
Свързано съдържание
- Как хакерските невронни мрежи могат да помогнат на ампутираните безпроблемно да разбият едно яйце
- Петима парализирани мъже отново движат краката си в проучване на UCLA
Оказва се, че тези пациенти са били маймуни. Но тази малка стъпка за маймуните може да доведе до гигантски скок за милиони парализирани хора: Същото оборудване вече е одобрено за употреба при хора, а в Швейцария се провеждат клинични проучвания за тестване на терапевтичната ефективност на метода на стимулация на гръбначния мозък при хора (минус имплантата на мозъка). Сега, когато изследователите имат доказателство за концепцията, този вид безжична невротехнология може да промени бъдещето на възстановяване на парализа.
Вместо да се опитват да поправят повредените пътища на гръбначния мозък, които обикновено доставят мозъчни сигнали до крайниците, учените опитаха иновативен подход за обратна парализа: Като заобикалят напълно мястото на контузия. Имплантът работеше като мост между мозъка и краката, насочвайки движението на краката и стимулирайки движението на мускулите в реално време, казва Томислав Милекович, изследовател от швейцарската политехника „École Polytechnique Fédérale de Lausanne“ (EPFL). Милекович и съавторите докладват за своите открития в нов документ, публикуван в сряда в списанието Nature .
Когато мозъчната невронна мрежа обработва информация, тя произвежда отличителни сигнали - които учените са се научили да интерпретират. Тези, които водят ходене в примати, произхождат от областта с размер на диме, известна като моторна кора. При здрав индивид сигналите пътуват надолу по гръбначния мозък до лумбалната област, където насочват активирането на мускулите на краката, за да се даде възможност за ходене.
Ако травматично нараняване прекъсне тази връзка, обектът е парализиран. Въпреки че мозъкът все още е в състояние да произвежда правилните сигнали и нервните мрежи, активиращи мускулите на крака, са непокътнати, тези сигнали никога не достигат до краката. Изследователите успяха да възстановят връзката чрез безжична технология в реално време - безпрецедентен подвиг.
Как работи системата? Изкуственият интерфейс на екипа започва с масив от почти 100 електроди, имплантирани в моторната кора на мозъка. Свързано е със записващо устройство, което измерва шиповете на електрически дейности в мозъка, които контролират движенията на краката. Устройството изпраща тези сигнали до компютър, който декодира и превежда тези инструкции в друг масив от електроди, имплантирани в долната част на гръбначния мозък, под нараняването. Когато втората група електроди получи инструкциите, тя активира съответните мускулни групи в краката.
За изследването на двете маймуни от резус макака са получени увреждания на гръбначния мозък в лабораторията. След операциите им трябваше да прекарат няколко дни, за да се възстановят и да чакат системата да събере и калибрира необходимите данни за тяхното състояние. Но само шест дни след нараняването, една маймуна се разхождаше по бягаща пътека. Другият беше изправен и ходеше в 16-ия ден след нараняване.
Успехът на мозъчния имплант за първи път демонстрира как невротехнологията и стимулацията на гръбначния мозък могат да възстановят способността на примата да ходи. „Системата възстанови двигателните движения незабавно, без никакво обучение или пренаучване“, казва Милекович, който инженери, управлявани от данни, невропротезни системи за Smithsonian.com.
„Първият път, когато включихме интерфейса мозък-гръбначен стълб, беше момент, който никога няма да забравя“, добави изследователят Марк Капогросо в изявление.
Нов мозъчен имплант безжично изпраща сигнали до мускулните групи на краката. (Илюстрация от Джемере Руби) Техниката за „хакване“ на невронните мрежи на мозъка доведе до забележителни подвизи, като например да се помогне за създаването на чувствителна на допир протеза, която позволява на носещите да изпълняват деликатни задачи като счупване на яйце. Но много от тези усилия използват кабелни връзки между мозъка и записващите устройства, което означава, че субектите не могат да се движат свободно. „Невронният контрол на движенията на ръцете и ръцете беше изследван много подробно, докато по-малко внимание беше отделено на невронния контрол на движенията на краката, което изисква животните да се движат свободно и естествено“, казва Милекович.
Кристиан Етиер, невролог в университета Лавел в Квебек, който не участва в изследването, нарече работата „голяма стъпка напред в развитието на невропротезни системи.“ Той добави: „Вярвам, че тази демонстрация ще ускори превода на инвазивния мозък -компютърни интерфейси към човешки приложения.
В съпътстващото издание на News & Views в Nature, неврологът Андрю Джаксън се съгласява, като изтъква колко бързо напредъкът в тази област е преминал от маймуни към хора. Доклад от 2008 г. например демонстрира, че парализирани маймуни могат да контролират роботизирана ръка само с мозъка си; четири години по-късно парализирана жена направи същото. По-рано тази година, стимулираната от мозъка мускулна стимулация даде възможност на четиритриплегичен човек да хване предмети, наред с други практически умения за ръце, след като през 2012 г. беше постигнат същия подвиг при маймуните.
Джексън заключава от тази история, че „не е неразумно да се спекулира, че можем да видим първите клинични демонстрации на интерфейси между мозъка и гръбначния мозък в края на десетилетието.“
Електродният масив Blackrock, имплантиран в мозъка на маймуните, се използва от 12 години за успешно записване на мозъчната активност в клиничните изпитвания BrainGate; многобройни изследвания доказват, че този сигнал може точно да контролира сложни невропротезни устройства. „Въпреки че изисква операция, масивът е с порядък по-малък от хирургично имплантираните дълбоки мозъчни симулатори, които вече се използват от повече от 130 000 души с болестта на Паркинсон или други нарушения в движението“, добавя Милекович.
Въпреки че този тест беше ограничен само до няколко фази на мозъчната дейност, свързани с ходенето при ходене, Етиер предполага, че потенциално може да даде възможност за по-голям обхват на движение в бъдеще. „С помощта на същите мозъчни импланти е възможно да се декодира намерението за движение с много по-подробни данни, подобно на това, което направихме, за да възстановим функцията за хващане. ... Очаквам бъдещите разработки да надхвърлят и може би ще включват други способности като компенсиране на препятствия и регулиране на скоростта на ходене. "
Етиер отбелязва още една интригуваща възможност: безжичната система всъщност може да помогне на тялото да се излекува. „Чрез повторно синхронизиране на дейността в мозъчните и спиналните двигателни центрове те биха могли да насърчават това, което се нарича„ невропластичност, зависима от активността “, и да консолидират всички пощадени връзки, свързващи мозъка с мускулите“, казва той. „Това може да има дългосрочни терапевтични ефекти и да насърчи естественото възстановяване на функцията извън възможното при конвенционалните рехабилитационни терапии.“
Това явление не е добре разбрано и възможността остава спекулативна в този момент, подчертава той. Но осезаемото постижение, което това изследване демонстрира - помагайки отново на парализираната разходка с мозъка им - вече е огромна стъпка.
