Два пациента с параличом быстро поднялись и стали ходить по беговым дорожкам. Этот впечатляющий подвиг стал возможен благодаря беспрецедентной новой операции, в ходе которой исследователи имплантировали беспроводные устройства в мозг пациентов, которые регистрировали их мозговую активность. Технология позволила мозгу связываться с ногами, минуя сломанные пути спинного мозга, чтобы пациент снова мог восстановить контроль.
Связанный контент
- Как взлом нейронных сетей может помочь инвалидам безошибочно взломать яйцо
- Пятеро парализованных мужчин снова пошевелили ногами в исследовании UCLA
Эти пациенты, оказывается, были обезьянами. Но этот маленький шаг для обезьян может привести к гигантскому скачку для миллионов парализованных людей: это же оборудование уже было одобрено для использования на людях, и в Швейцарии проводятся клинические исследования для проверки терапевтической эффективности метода стимуляции спинного мозга у людей. (без мозгового имплантата). Теперь, когда у исследователей есть подтверждение концепции, этот вид беспроводной нейротехнологии может изменить будущее восстановление паралича.
Вместо того, чтобы пытаться восстановить поврежденные пути спинного мозга, которые обычно доставляют сигналы головного мозга к конечностям, ученые попробовали инновационный подход к обратному параличу: вообще обойти узкое место травмы. По словам Томислава Милековича, исследователя из Швейцарской Политехнической федерации в Лозанне (EPFL), имплантат работал в качестве моста между мозгом и ногами, направляя движения ног и стимулируя движения мышц в реальном времени. Милекович и соавторы сообщают о своих выводах в новой статье, опубликованной в среду в журнале Nature .
Когда нейронная сеть мозга обрабатывает информацию, она генерирует отличительные сигналы, которые ученые научились интерпретировать. Те, кто управляет ходьбой у приматов, происходят из области размером с десять центов, известной как моторная кора. У здорового человека сигналы распространяются по спинному мозгу в поясничную область, где они направляют активацию мышц ног, чтобы сделать возможной ходьбу.
Если травматическое повреждение разрывает эту связь, субъект парализован. Хотя мозг все еще способен генерировать правильные сигналы, а нервные сети ног, активирующие мышцы, не повреждены, эти сигналы никогда не достигают ног. Исследователям удалось восстановить связь с помощью беспроводной технологии в реальном времени - беспрецедентный подвиг.
Как работает система? Искусственный интерфейс команды начинается с набора из почти 100 электродов, имплантированных в моторную кору головного мозга. Он подключен к записывающему устройству, которое измеряет пиковые электрические нагрузки в мозге, которые контролируют движения ног. Устройство отправляет эти сигналы на компьютер, который декодирует и транслирует эти инструкции к другому набору электродов, имплантированных в нижний спинной мозг, ниже травмы. Когда вторая группа электродов получает инструкции, она активирует соответствующие группы мышц в ногах.
Для исследования двум макакам-резусам были нанесены травмы спинного мозга в лаборатории. После их операций им пришлось потратить несколько дней на восстановление и ожидание, пока система соберет и откалибрует необходимые данные об их состоянии. Но всего через шесть дней после травмы одна обезьяна шла по беговой дорожке. Другой был на ногах в день после травмы 16.
Успех имплантации головного мозга впервые демонстрирует, как нейротехнологии и стимуляция спинного мозга могут восстановить способность примата ходить. «Система восстановила двигательные движения немедленно, без какой-либо подготовки или переучивания», - сказал Smithsonian.com Милехович, который разрабатывает нейропротезные системы, управляемые данными.
«Первый раз, когда мы включили интерфейс« мозг-позвоночник », был момент, который я никогда не забуду», - добавил исследователь EPFL Марк Капогроссо в своем заявлении.
Новый мозговой имплантат беспроводным способом посылает сигналы мышечным группам ног. (Иллюстрация Джемере Руби) Техника «взлома» нейронных сетей мозга привела к замечательным умениям, таким как помощь в создании чувствительного к прикосновению протезирования, которое позволяет владельцам выполнять деликатные задачи, такие как взлом яйца. Но во многих из этих попыток используются кабельные соединения между мозгом и записывающими устройствами, а это означает, что субъекты не могут свободно двигаться. «Нейронный контроль движений рук и рук был исследован очень подробно, при этом меньше внимания уделялось нейронному контролю движений ног, что требовало от животных свободного и естественного движения», - говорит Милекович.
Кристиан Этьер, нейробиолог из Квебекского университета Лаваль, который не принимал участия в исследовании, назвал эту работу «важным шагом вперед в развитии нейропротезных систем». Он добавил: «Я считаю, что эта демонстрация ускорит перевод инвазивного мозга. -компьютерные интерфейсы к человеческим приложениям.
В сопровождающем выпуске News & Views в журнале Nature невролог Эндрю Джексон соглашается, указывая, как быстро прогресс в этой области перешел от обезьян к людям. Например, газета 2008 года продемонстрировала, что парализованные обезьяны могут управлять роботизированной рукой только своим мозгом; четыре года спустя парализованная женщина сделала то же самое. Ранее в этом году управляемая мозгом стимуляция мышц позволила человеку, страдающему параличом, схватить предметы, помимо других практических навыков рук, после того, как тот же самый подвиг был достигнут у обезьян в 2012 году.
Из этой истории Джексон приходит к выводу, что «вполне логично предположить, что мы сможем увидеть первые клинические демонстрации взаимодействия между мозгом и спинным мозгом к концу десятилетия».
Набор электродов Blackrock, имплантированный в мозг обезьян, использовался в течение 12 лет для успешной регистрации активности мозга в клинических испытаниях BrainGate; многочисленные исследования показали, что этот сигнал может точно контролировать сложные нейропротезные устройства. «Несмотря на то, что он требует хирургического вмешательства, этот массив на порядок меньше, чем хирургические имплантированные имитаторы глубокого мозга, которые уже используются более чем 130 000 человек с болезнью Паркинсона или другими нарушениями движения», - добавляет Милекович.
Хотя этот тест ограничивался лишь несколькими фазами мозговой активности, связанной с походкой при ходьбе, Этье полагает, что в будущем он потенциально может обеспечить больший диапазон движений. «Используя эти же мозговые имплантаты, можно расшифровать намерение движения гораздо более подробно, подобно тому, что мы сделали для восстановления функции захвата. ... Я ожидаю, что будущие события выйдут за рамки и, возможно, будут включать в себя другие возможности, такие как компенсация препятствий и регулировка скорости ходьбы ».
Ethier отмечает еще одну интригующую возможность: беспроводная система может фактически помочь организму исцелить себя. «Пересинхронизируя деятельность в мозговых и спинномозговых моторных центрах, они могут способствовать так называемой« зависимой от активности нейропластичности »и консолидировать любые свободные связи, связывающие мозг с мышцами», - говорит он. «Это может иметь долгосрочные терапевтические эффекты и способствовать естественному восстановлению функций сверх того, что возможно при обычной реабилитационной терапии».
Он подчеркивает, что этот феномен не совсем понятен, и возможность на данный момент остается спекулятивной. Но ощутимое достижение, которое демонстрирует это исследование - помочь парализованным людям снова ходить с мозгами - это уже огромный шаг.
