Паралич и хирургия шунтирования мозга
Оглавление:
- Декодирование сигналов мозга
- Как работает технология
- Интерфейсы с мозгом-компьютером
- Оптимизм для будущего
Научные прорывы в технологиях интерфейса с мозгом-компьютером могут дать новую надежду на преодоление паралича.
В последнем прогрессе человек с квадриплегией, который был парализован восемь лет назад, восстановил функциональное движение его руки.
РекламаРекламаОн накормил себя рукой, используя эту технологию, первую в истории болезни.
Исследователи из Университета Case Western Reserve в Огайо объявили о своих результатах 28 марта в британском медицинском журнале The Lancet.
Объявление Case Western было сделано на следующий день после того, как предприниматель Elon Musk (из электромобиля Tetla и ракетной компании SpaceX) показал планы по разработке аналогичной технологии.
Реклама«Нейронное кружево» Муска, согласно докладу The Wall Street Journal, свяжет мозг человека непосредственно с компьютером.
Между тем, ученые из Университета штата Огайо (OSU) работают с пациентом с параличом и разработали технологию, аналогичную той, что у Case Western.
Команда OSU разрабатывает технологию с учеными из Battelle Memorial Institute, некоммерческой организации в Огайо, которая создает медицинские устройства.
Подробнее: Экзоскелеты, помогающие людям с параличом снова ходить »
Декодирование сигналов мозга
Дело западных ученых работает с 53-летним Билла Кочеваром с квадриплегией, которая была ранена в результате велосипедной аварии.
Исследователи имплантировали нейропротезирование, которое расшифровывало его сигналы мозга и передавало их датчикам в руке, что помогло ему восстановить движение в руке и руке.
Роберт Кирш, доктор философии, заведующий кафедрой Западного отдела биомедицинской инженерии, исполнительный директор Центра функциональной электрической стимуляции (FES) университета, является старшим автором исследования.
РекламаРекламаОн назвал прорыв важнейшим шагом.
«Мы продемонстрировали возможность записи чьих-то намерений движения, а затем сделаем их собственную руку, чтобы эти движения», - сказал он.
Он просто думает о том, чтобы переместить руку, и рука движется, как он намеревается. Болу Аджибое, Университет Западного ЗаповедникаКолледж Кирша Болу Аджибое, доктор философии, доцент биомедицинской инженерии в Case Western, и научный сотрудник Медицинского центра администрации ветеранов университета им.Лука Стокса Кливленда, объяснил, как работает эта технология.
Реклама«Нормальное движение в незащищенных лицах происходит из-за того, что моторная кора генерирует команду движения, представленную в виде электрических сигналов, которая проходит через спинной мозг, а затем активирует соответствующие мышцы», - сказал Аджибоее Healthline.
Травма спинного мозга не позволяет электрическим импульсам достичь мышц, пояснил он, но оригинальная команда движения по-прежнему правильно кодируется в моделях электрической активности мозга.
РекламаРеклама«Наша система регистрирует картину электрической активности через имплантат мозга и использует математические алгоритмы для ее декодирования в команду движения, предназначенную человеком с параличом. Эта команда преобразуется в схему электрической стимуляции, которая применяется к правой группе мышц для создания движения. Для г-на Кочевара процесс является бесшовным и невидимым. По его словам, он говорит, что просто думает о том, чтобы переместить руку, и рука движется, как он намеревается. "
Аджибое также указал, что это новая технология.
Наука неоднократно пыталась «исправить» поврежденный позвоночник через тканевую инженерию и возобновить без успеха, сказал он.
Реклама«Мы хотели бы, чтобы ученые нашли способ восстановить и снова подключить спинной мозг с помощью клеточной терапии», - сказал Аджибое. «Однако наш нынешний подход использует технологию, чтобы обойти травму позвоночника, чтобы получить сигналы движения от мозга к правильному набору мышц, чтобы произвести движение. «
Другие технологии, которые помогают людям с параличом восстановить функцию, как правило, ограничены устройствами, которые они могут контролировать, используя свои голоса и движения глаз, или двигая их головами.
РекламаРекламаОднако ни одно из этих устройств не позволяет контролировать свою собственную конечность.
«Наше устройство позволяет пользователю перемещать свою собственную конечность, просто размышляя», - объяснил Аджибое. «Я хочу дать понять, что наша система обходит травму позвоночника, а не реверсирует паралич. Без системы пользователь все равно был бы парализован, и нет никаких доказательств того, что использование этой системы в конечном итоге приведет к повторному росту позвоночника или восстановит способность двигаться без системы. «
Подробнее: Имплантат помогает людям с параличом снова использовать свои конечности»
Как работает технология
Почему уникальная технология Case Western?
Система первая использует как компьютерный интерфейс имплантата мозга с системой FES, чтобы электрически активировать парализованные мышцы.
До этого ученые обращались с несколькими людьми с параличом, но только с одним или другим подходом.
Кочевар - первый человек, который испытал эту комбинированную технологию.
Ajiboye сказал, что многие исследовательские группы использовали систему интерфейса мозга с людьми и с нечеловеческими приматами. Обе тестовые группы могли выполнять такие задачи, как перемещение курсоров на экране компьютера или перемещение роботизированных рук.
«Наш Центр FES в течение последних 25-30 лет имплантировал системы FES у людей с травмами спинного мозга, чтобы восстановить ряд функций, включая стоячие, ходячие, дыхательные и руки и движения рук», - сказал он.
Кочевар присоединился к исследовательскому проекту Case Western в 2014 году. Он получил свои мозговые имплантаты в декабре того же года.В 2015 году Кирш, Аджибое и их коллеги имплантировали электроды в мышцы руки и руки.
Кочевар научился активировать свои мозговые сигналы для управления разными устройствами.
«Мы сначала заставили его посмотреть, как виртуальная рука движется на экране компьютера, в то время как он одновременно представлял себе, что делает одни и те же движения своей рукой», - сказал Аджибое. «Это порождает модели нейронной активности. Затем мы разработали нейронный декодер, математический алгоритм, который связан с генерируемыми шаблонами нейронной активности с аспектами движения виртуальных рук. «
Затем у них был Кочевар, контролирующий виртуальную руку, генерируя образцы сигналов мозга, которые затем интерпретировались нейронным декодером, сказал Аджибое.
Кочевар тренировался, чтобы перемещать виртуальную руку с точностью до заданных целей в рабочей области. Ученые подсчитали свой мозговой контроль над виртуальным оружием и обнаружили, что он смог контролировать его почти сразу, сказал Аджибое. Кроме того, Кочевар относительно быстро достиг успеха с 95 до 100 процентов от целевой точности.
Наконец, ученые предприняли попытку Кочевара двинуть руку через стимуляцию FES в двухэтапном процессе.
«Мы вручную двинули руку (через электрическую стимуляцию) и дали ему понять, что он контролирует движения его рук», - сказал Аджибое. «Опять же, это помогло генерировать желаемые модели нейронной активности, которые мы использовали для создания и улучшения нашего нейронного декодера. Мы заставили его использовать последний нейронный декодер, чтобы управлять движениями его собственной руки, реанимированными с помощью электрической стимуляции. Он смог мгновенно двигать рукой по своему желанию и постепенно улучшался с увеличением использования. «
В видеоролике, выпущенном Case Western, Кочевар сказал:« Это было потрясающе, потому что я думал о том, чтобы переместить мою руку, и так получилось. Я мог перемещать его и выходить, вверх и вниз. «
Поскольку Кочевар имел длительный паралич, его мышцы были изначально слабыми и легко утомлялись. Сказал Аджибой.
Чтобы построить свою мышечную силу и сопротивление усталости, команда «упражняла» свои мышцы в течение нескольких часов в день, используя электрическую стимуляцию без системы интерфейса мозга.
Со временем это электрически стимулированное упражнение увеличило его мышечную силу и его способность использовать систему дольше без усталости.
Подробнее: Человек восстанавливает ходячие способности, используя свои собственные мозговые волны »
Интерфейсы с мозгом-компьютером
Как и инновации Case Western, инновация штата Огайо помогла человеку с квадриплегией использовать свою руку после нескольких лет паралича, Исследовательскую группу возглавил д-р Али Резай, профессор нейрохирургии и нейронауки, и директор Центра нейромодуляции в Медицинском центре Векнера университета.
Пациент, Ян Буркхарт, получил тяжелую травму спинного мозга в 19 лет во время несчастного случая с дайвингом. Это оставило его с небольшой функцией и движением в его плечах и бицепсах, и никакого движения от его локтей до его рук.
«Наша команда разработала технологию взаимодействия с мозгом и компьютером, которая обходит поврежденный спинной мозг, позволяя пациенту, таким как Ян, травма спинного мозга и квадриплегия, и никакая функция его рук в течение пяти лет просто использовать его мысли, чтобы переместить его безжизненную руку, чтобы ожить и под его волевым контролем », - сказал Резай Healthline.
В апреле 2014 года Резай внедрил микрочип размером с голову карандашного ластика на поверхности моторной коры мозга Беркхарта. 96 микроэлектродов чипа зафиксировали стрельбу его отдельных нейронов.
Резай и его коллеги разработали систему нейронного обхода, которая регистрирует и анализирует деятельность мозга, которая возникает, когда Буркхарт намерен переместить руку.
После обхода поврежденного спинного мозга и повреждения связи от мозга до мышечных нервов система связывает мозговой сигнал Буркхарта с наружным рукавом для одежды, сказал Резаи.
Это позволяет Буркхарту двигаться рукой.
«Имплантат мозга записывает и интерпретирует мозговые сигналы, связанные с мыслями, и связывает их с внешним носимым рукавом для управления мышцами», - пояснил Резаи. «Это нервно-мышечная система стимуляции. Мысли, связанные с намерением двигаться - например, открытием руки, связаны и соединяются в течение миллисекунд с фактическим функциональным движением руки. «
Первое поколение внешнего износостойкого рукавного устройства для одежды и стимуляции, по его словам, имеет до 160 стимулирующих электродов,« состоящих из супергидравлического гидрогеля »- массив электродов высокого разрешения с высоким разрешением, которые соответствуют различным формам и контуры, такие как предплечье. «
Одежда может быть сформирована в рукав, перчатку, носок, брюки, пояс, головной убор и другие форм-факторы.
«Значительная сложность и координация необходимы, чтобы плавные движения могли поднять мешалку, чтобы перемешать кофе, использовать зубную щетку или сыграть в видеоигру», - сказал он. «Этот алгоритм машинного обучения улучшает и совершенствует движения от грубых и изменчивых движений до более плавных и плавных движений. «
Подробнее: Бионическая технология, которая помогает восстановить мышечный контроль»
Оптимизм для будущего
Нейробиологи, наблюдая за недавними прорывами, впечатлены и оптимистичны.
Джозеф О'Доерти (Joseph O'Doherty), старший научный сотрудник лаборатории Philip Sabes в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, Центр интегративной нейронауки, называет эти последние достижения в области технологий интерфейса для мозговых компьютеров «новаторскими». «
» Это исследование показывает, что парализованные конечности могут быть реанимированы - только одной мыслью - для восстановления скоординированных, многоцелевых движений, важных для повседневной жизни: достижения, схватывания, еды и употребления алкоголя », - сказал он Healthline. «Это доказательство на основе принципа доказательности, которое повышает вероятность того, что подобная терапия вскоре сможет найти применение вне клиники. «
Ученые работали над интерфейсами мозгового компьютера, в той или иной форме, с конца 1960-х годов, сказал он. Поле продвигалось от управления компьютерными курсорами, к передвижным инвалидным креслам и роботизированным вооружениям, чтобы теперь восстановить добровольный контроль над конечностями.
«Травма спинного мозга часто ухудшает чувство осязания, а также способность двигаться», - сказал О'Доерти. «Восстановление ощущений конечности станет решающим элементом нейропротезов, которые позволят выполнять физические и физические движения. «
« Есть еще много проблем, которые нужно преодолеть, - добавил он, - но этот новый результат в сочетании со многими связанными достижениями в области беспроводных технологий, технологий батарей, материаловедения и т. Д. Делает меня очень оптимистичным в отношении нейропротезных устройств для восстановления движение и ощущение становятся широко доступными. «
Эти нововведения дают надежду и потенциал для восстановления движения и увеличения независимости для многих пациентов, страдающих параличом или другими физическими недостатками. Д-р Али Резаи, Университет штата Огайо Медицинский центр WexnerРезай сказал, что 12 000 человек в Соединенных Штатах каждый год выдерживают травмы спинного мозга, а 300 000 живут с такими травмами от несчастных случаев на автомашинах, травм, спортивных травм, и падает.
Менее 1 процента обеспечивают полное восстановление, и большинство из них имеют дефициты, которые полагаются на различные вспомогательные и адаптивные технологии для обеспечения ограниченной степени независимости.
«Эти нововведения дают надежду и потенциал для восстановления движения и увеличения независимости для многих пациентов, страдающих параличом или другими физическими недостатками», - сказал Резаи. «В дополнение к моторным улучшениям эта технология имеет потенциальные последствия для людей с сенсорным дефицитом, хронической болью, речью, инсультом, когнитивными, тревожными и поведенческими последствиями. «
Резай сказал, что надеется, что вскоре те, у кого есть физические, сенсорные, когнитивные и другие недостатки, будут иметь возможность быть более функциональными, иметь большую независимость и лучшее качество жизни.
«Наша цель - сделать эту технологию менее инвазивной, уменьшить размер устройства, миниатюризировать датчики, сделать систему беспроводной и обеспечить систему дома, а не в лаборатории», - сказал он.
Команда Case Western также работает над совершенствованием своей системы.
«Нам нужно разработать интерфейс беспроводного мозга, чтобы заменить кабель, который соединяет пользователя с набором компьютеров для записи», - сказал Аджибое. «Нам нужно усилить мозговой имплантат для долголетия, увеличить количество нейронов, из которых мы можем записать, и разработать полностью имплантированный интерфейс мозга и функциональную систему электростимуляции. «
