Paralýza a mozková bypassová chirurgie
Obsah:
- Dekódování mozkových signálů
- Proč je technologie Case Western jedinečná?
- Stejně jako případové západní inovace pomohla Ohio State inovace člověku s kvadriplegií použít po několika letech paralýzy .
- Neurovědi, kteří pozorují nedávné průlomy, jsou ohromeni a optimistickí.
Vědecké objevy v technologii rozhraní mozku a počítače mohou nabídnout novou naději na překonání paralýzy.
V posledním postupu byl člověk s čtyřadvizí, který byl paralyzován před osmi lety, znovu získal funkční pohyb paže.
ReklamaZveřejňovatS touto technologií se živil rukou, první v lékařské historii.
Vědci z Case Western Reserve University v Ohiu oznámili své závěry dne 28. března v britském lékařském časopise The Lancet.
->Oznámení Case Western bylo dáno po dni, kdy podnikatel Elon Musk (z elektrického auta Tesla a raketová společnost SpaceX) odhalil plány na vývoj podobné technologie.
Reklama Muskova "neurální krajka", podle zprávy v časopise The Wall Street Journal, by spojovala mozek člověka přímo s počítačem.
Vědci ze Státní univerzity v Ohiu (OSU) pracují s pacientem s paralýzou a vyvinuli technologii podobnou technologii ve společnosti Case Western.
Tým OSU rozvíjí technologii s vědci na Battelle Memorial Institute, neziskové organizaci v Ohiu, která vytváří zdravotnické prostředky.
Přečtěte si více: Exoskeletony pomáhají lidem s paralýzou opět chodit »
Dekódování mozkových signálů
Case Western vědci pracují s Billem Kochevarem, 53letým čtyřkomplexem, který byl zraněn při jízdě na kole.
Robertem Kirchem, PhD, předsedou Vědeckého oddělení biomedicínského inženýrství, výkonným ředitelem centra funkční elektrické stimulace (FES) univerzity, je hlavním autorem výzkumu.ReklamaZveřejňovat
Zavolal průlom velkým krokem."Ukázali jsme, že je možné provést nahrávání úmyslů někoho k pohybu a poté udělat vlastní pohyby," řekl.
Jen si myslí, že se pohybuje rukou a paže se pohybuje, jak má v úmyslu. Bolu Ajiboye, univerzita Case Western Reserve
Kirschův kolega Bolu Ajiboye, PhD, odborný asistent biomedicínského inženýrství ve společnosti Case Western a vědecký pracovník Lékařského centra veterinářů v Clevelandu Louis Stokes, vysvětlil, jak tato technologie funguje.Reklama
"Normální pohyb v nezralých osobách nastává, protože kůra motoru vytváří pohybový příkaz, reprezentovaný jako elektrický signál, který prochází míchou a poté aktivuje příslušné svaly," řekl Ajiboye Healthline.Poranění míchy brání tomu, aby elektrické impulzy zasáhly svaly, vysvětlil, ale původní příkaz pohybu je stále správně zakódován v mozkových vzorech elektrické aktivity.
ReklamaZveřejňujeme
"Náš systém zaznamenává elektrickou aktivitu prostřednictvím implantátu mozku a používá matematické algoritmy k jeho dekódování do příkazu pohybu, který je určen osobou s paralýzou. Tento příkaz je přeměněn na elektrický stimulační vzorec, který se aplikuje na pravou skupinu svalů, aby vznikl pohyb. Panu Kochevarovi je proces bezproblémový a neviditelný. Podle jeho slov říká, že si jen myslí, že se pohybuje po ruce a ruce se pohybuje, jak má v úmyslu. "Ajiboye také zdůraznil, co tato nová technologie není.
Věda se pokoušela mnohokrát "opravit" poškozenou páteř tkáňovým inženýrstvím a obnovením bez úspěchu, řekl.
Reklama
"Věděli bychom rádi, že vědci najdou způsob, jak regenerovat a znovu připojit míchu pomocí buněčných terapií," řekl Ajiboye. "Nicméně náš současný přístup využívá technologii k obcházení poranění páteře, aby získal pohybové signály z mozku do správné sady svalů k vytvoření pohybu. "Jiné technologie, které pomáhají lidem, kteří ochromují paralýzu, jsou zpravidla omezeni na zařízení, která mohou řídit pomocí svých hlasů a pohybů očí nebo pohybem hlav.
ReklamaZveřejňovat
Nic z těchto zařízení však neumožňuje ovládat vlastní končetinu."Náš přístroj umožňuje uživateli pohybovat se svou vlastní končetinou tím, že přemýšlí," vysvětlil Ajiboye. "Chci ujasnit, že náš systém obchází poranění páteře, spíše než zvrátit paralýzu. Bez systému by byl uživatel stále paralyzován a neexistují žádné důkazy, které by naznačovaly, že by použití tohoto systému mohlo nakonec vést k regrowthu páteře nebo by znovu zavedlo schopnost pohybovat se bez systému. "
Přečtěte si více: Implantát pomáhá lidem s paralýzou znovu využívat končetiny»
Jak funguje technologie
Proč je technologie Case Western jedinečná?
Systém je první, kdo používá počítačové rozhraní implantátu mozku s systémem FES k elektricky aktivaci ochrnutých svalů.
Předtím se vědci zabývali řadou lidí s paralýzou, ale pouze s jedním nebo druhým přístupem.
Kochevar je první člověk, který zažívá tuto kombinovanou technologii.
Ajiboye prohlásil, že mnoho výzkumných skupin používalo mozkové rozhraní s lidmi a primáty jiných než lidských. Obě zkušební skupiny byly schopny provádět úkoly, jako je posun kurzorů na obrazovce počítače nebo pohybující se robotické zbraně.
"Naše středisko FES za posledních 25 až 30 let implantovalo systémy FES do lidí s poraněním míchy, aby se obnovila řada funkcí, včetně stoje, chůze, dýchání a pohybů rukou a paží," řekl.
Kochevar se připojil k výzkumnému projektu Case Western v roce 2014. V prosinci toho roku získal své mozkové implantáty.V roce 2015 Kirsch, Ajiboye a jejich kolegové implantovali elektrody do svalů ruky a ruky.
Kochevar se naučil aktivovat své mozkové signály pro ovládání různých zařízení.
"Nejprve jsme ho nechali sledovat virtuální paží na obrazovce počítače, zatímco současně si představoval, že dělá stejné pohyby s vlastní rukou," řekl Ajiboye. "Toto generovalo vzorce neurální aktivity. Poté jsme vyvinuli neurální dekodér, matematický algoritmus, který souvisel s generovanými vzory neurální aktivity s aspekty virtuálních ramenních pohybů. "
Dále měli Kochevar ovládat virtuální rameno generováním vzorků mozkových signálů, které pak interpretovali neurální dekodér, řekl Ajiboye.
Kochevar vycvičil přesné přesunutí virtuálního ramene na určené cíle v pracovním prostoru. Vědci kvantifikovali jeho kontrolu mozku virtuální paže a zjistili, že byl schopen ji téměř okamžitě ovládat, řekl Ajiboye. Navíc Kochevar poměrně rychle dosáhl úspěšnosti 95 až 100 procent cílové přesnosti.
Nakonec se vědci pokoušeli Kochevar přesunout svou ruku stimulací FES do dvoufázového procesu.
"Ručně jsme přesunuli ruku (elektrickou stimulací) a pokynul mu, aby si představoval, že má pod kontrolou své pohyby rukou," řekl Ajiboye. "Znovu to přispělo k vytvoření požadovaných vzorců nervové aktivity, které jsme použili při vytváření a vylepšování neurálního dekodéru. Měli jsme ho použít konečný neuronový dekodér, aby ovládal pohyby jeho vlastní paže, znovuzískán elektrickou stimulací. Dokázal okamžitě pohybovat rukama podle potřeby a postupně se zlepšoval. "
Ve videu, které vydal Case Western, Kochevar řekl:" Bylo to úžasné, protože jsem si myslela, že mi přemýšlím o ruku a to bylo. Mohla bych se přesunout dovnitř a ven, nahoru a dolů. "
Protože Kochevar měl dlouhodobou paralýzu, jeho svaly byly zpočátku slabé a snadno unavené. Řekl Ajiboye.
Pro vybudování svalové síly a odolnosti proti únavě, tým "cvičil" své svaly několik hodin denně pomocí elektrické stimulace bez mozkového rozhraní.
Toto elektricky stimulované cvičení v průběhu času zvýšilo jeho svalovou sílu a jeho schopnost používat systém déle bez únavy.
Přečtěte si více: Člověk znovu získává schopnost chůze pomocí vlastních mozkových vln »
Rozhraní mozku-počítač
Stejně jako případové západní inovace pomohla Ohio State inovace člověku s kvadriplegií použít po několika letech paralýzy.
Výzkumný tým byl veden Dr. Ali Rezai, profesorem neurochirurgie a neurovědy, a ředitelem Centra pro neutromodulaci v Wexner Medical Center v univerzitě.
Pacient, Ian Burkhart, utrpěl těžké zranění míchy ve věku 19 let během potápěčské nehody. Zanechal mu jen malou funkci a pohyb v ramenou a bicepsu a žádný pohyb z loktů do rukou.
"Náš tým vyvinul technologii rozhraní mozku a počítače, která obchází poškozenou míchu a umožňuje pacientovi, jako je Ian s poraněním míchy a kvadriplegií a bez funkce jeho rukou po dobu pěti let, aby jednoduše použil své myšlenky, život bez života a pod jeho voličskou kontrolu, "řekl Rezai Healthline.
Nick Annetta, vpravo, z Battelle, sleduje, jak Ian Burkhart, 24 let, hraje kytarovou videohru pomocí své paralyzované ruky. Zdroj obrázku: Státní univerzita Ohio Wexner Medical Center / Battelle
Rezai a jeho kolegové vyvinuli nervový bypassový systém, který zaznamenává a analyzuje mozkovou aktivitu, ke které dochází, když má Burkhart v úmyslu pohybovat se rukou.
Po obejití poškozené míchy a poškozeném spojení z mozku na svalové nervy systém propojuje Burkhartův signál mozku s vnějším obvazovým návlekem, říká Rezai.
To umožňuje Burkhartovi pohybovat se rukou.
"Implantát mozku zaznamenává a interpretuje mozkové signály spojené s myšlenkami a propojuje je s vnějším nositelným rukávem, který mu řídí svaly," vysvětlil Rezai. "Je to systém neuromuskulární stimulace. Myšlenky spojené se záměrem pohybu - například otevírání ruky - jsou spojeny a zapojeny během milisekund do skutečného funkčního pohybu rukou. "
První generace vnějšího oděvního a stimulačního systému pro rukojetí, která má nosnost až 160, má až 160 stimulačních elektrod" tvořených super pružným hydrogelem - s vysokým rozlišením a s vysokým rozlišením řada elektrod, které odpovídají různým tvarům a obrysy, jako je předloktí. "
Oděv lze tvarovat do rukávu, rukavice, ponožky, kalhot, pásu, pásku hlavy a dalších tvarových faktorů.
"Je zapotřebí významné složitosti a koordinace, aby bylo možno hladce pohybovat, aby se zvedl míchadlo, které by rozmíchalo kávu, používalo zubní kartáček nebo hrát videohru," řekl. "Tento algoritmus strojového učení zlepšuje a zdokonaluje pohyby od drsných a trhaných pohybů až po hladší pohyby. "
Přečtěte si více: Technologie Bionic pomáhá obnovit kontrolu svalů»
Optimismus pro budoucnost
Neurovědi, kteří pozorují nedávné průlomy, jsou ohromeni a optimistickí.
Dr. Joseph O'Doherty, vysokoškolský postgraduální student v laboratoři Philipa Sabesa na Kalifornské univerzitě v San Francisku, Centrum pro integrativní neurovědy, nazývá tyto inovace v technologii rozhraní mozku a počítače "průkopnický. "Tento výzkum ukazuje, že paralyzované končetiny mohou být znovuzískány - myšlenkou samotné - pro obnovení koordinovaných, mnohonásobných pohybů důležitých pro každodenní život: dosažení, uchopení, jíst a pít", řekl Healthline. "Je to ukázka důkazu o zásadách, která zvyšuje možnost, že podobné terapie by brzy mohla najít přijetí mimo kliniku. "
Vědci pracují na rozhraní mozku a počítače, v nějaké podobě nebo podobně, od konce šedesátých let, řekl. Toto pole pokročilo od ovládání počítačových kurzorů po přesouvání invalidních vozíků a robotických ramen, až po obnovení dobrovolné kontroly nad končetinami.
"Poranění míchy často narušuje smysl pro dotyk i schopnost pohybu," řekl O'Doherty. "Obnovení pocitů končetin bude rozhodujícím prvkem neuroprotéz, který umožní tekutinové a přirozené pohyby. "
" Existuje ještě mnoho problémů, které je třeba překonat, "dodal," ale tento nový výsledek, kombinovaný s mnoha souvisejícími pokroky v oblasti bezdrátové technologie, technologie baterií, vědy o materiálech atd., Mě velmi optimistický ohledně neuroprotetických zařízení pro obnovu pohyb a pocit se stávají široce dostupnými. "
Tyto inovace nabízejí naději a potenciál pro obnovu pohybu a zvýšenou nezávislost mnoha pacientů žijících s paralýzou nebo jinými tělesnými postiženími. Dr. Ali Rezai, Státní univerzita Ohio Wexner Medical Center
Rezai uvedl, že 12 000 000 osob ve Spojených státech každoročně trpí poranění míchy a 300 000 žije s těmito zraněními z nehody motorových vozidel, trauma, sportovní zranění, a padá.
Méně než 1 procenta dosáhne úplného oživení a většina z nich má deficity, které se opírají o různé podpůrné a adaptivní technologie, které poskytují omezený stupeň nezávislosti."Tyto inovace nabízejí naději a potenciál pro obnovu pohybu a větší nezávislost mnoha pacientů žijících s paralýzou nebo jinými tělesnými postiženími," uvedl Rezai. "Kromě zlepšení motorů má tato technologie potenciální důsledky pro ty, kteří mají smyslové deficity, chronickou bolest, řeč, mozkovou příhodu, kognitivní potíže, úzkost a důsledky chování. "
Rezai řekl, že doufá, že brzy lidé s tělesným, smyslovým, kognitivním a jiným postižením budou mít příležitost být funkčnější, mít větší nezávislost a lepší kvalitu života.
"Naším cílem je, aby tato technologie byla méně invazivní, snížila velikost zařízení, miniaturizovala snímače, učinila systém bezdrátovou a poskytovala systém doma namísto v laboratoři," řekl.
Tým Case Western pracuje také na technologickém pokroku svého systému.
"Musíme vytvořit bezdrátové mozkové rozhraní, které by nahradilo kabel, který spojuje uživatele se sadou záznamových počítačů," řekl Ajiboye. "Musíme zlepšit implantaci mozku pro dlouhověkost, zvýšit počet neuronů, ze kterých můžeme zaznamenávat, a vyvinout plně implantované mozkové rozhraní a funkční elektrický stimulační systém. "
