How Brain Implants Can Let Paralyzed People Move Again

Iets so eenvoudig soos om 'n koppie tee op te tel, vereis 'n vreeslike aksie van jou liggaam. Jou armspiere vuur om jou arm na die beker te beweeg. Jou vinger spiere vuur om jou hand oop te maak en buig jou vingers om die handvatsel. Jou skouerspiere hou jou arm van jou skouer af wat uit jou skouer spring en jou kernspiere maak seker dat jy nie oor die ekstra gewig van die beker toemaak nie. Al hierdie spiere moet presies en gekoördineerd geskiet word, en tog is jou enigste bewuste poging die gedagte: "Ek weet: tee!"

Daarom is dit so moeilik om 'n verlamde ledemaat te laat beweeg. Die meeste verlamde spiere kan steeds werk, maar hulle kommunikasie met die brein is verlore gegaan, dus kry hulle nie instruksies om te brand nie. Ons kan nog nie skade aan die rugmurg herstel nie, so een oplossing is om dit te omseil en kunsmatig die instruksies aan die spiere te gee. En danksy die ontwikkeling van tegnologie vir die lees en interpretasie van breinaktiwiteite, kan hierdie instruksies eendag direk uit die pasiënt se gedagtes kom.

Ons kan verlamde spiere vuur maak deur hulle te stimuleer met elektrodes wat in die spiere geplaas word of om die senuwees wat hulle voorsien, 'n tegniek bekend as funksionele elektriese stimulasie (FES). Behalwe om verlamde mense te help beweeg, word dit ook gebruik om blaasfunksie te herstel, effektiewe hoes te produseer en pynverligting te bied. Dit is 'n fassinerende tegnologie wat 'n groot verskil kan maak in die lewens van mense met rugmurgbesering.

Dimitra Blana en haar kollegas by Keele werk aan hoe om hierdie tegnologie met die komplekse stel aan te pas instruksies wat nodig is om 'n arm te bedryf. As jy daardie koppie tee wil ophaal, watter spiere moet brand, wanneer en hoeveel? Die vuur instruksies is ingewikkeld, en nie net as gevolg van die groot aantal kern, skouer, arm en vinger spiere betrokke. Soos jy stadig jou tee drink, verander die instruksies, omdat die gewig van die beker verander. Om iets anders te doen, soos om jou neus te krap, is die instruksies heeltemal anders.

In plaas daarvan om net verskeie vuurpatrone op die verlamde spiere uit te probeer in die hoop om een ​​te vind wat werk, kan jy gebruik rekenaarmodelle van die muskuloskeletale stelsel om hulle te bereken. Hierdie modelle is wiskundige beskrywings van hoe spiere, bene en gewrigte optree en interaksie tydens beweging. In die simulasies kan jy spiere sterker of swakker maak, "verlam" of "ekstern gestimuleer". U kan verskillende vuurpatrone vinnig en veilig toets, en u kan die modelle telkens weer hul teebeker optel - soms meer suksesvol as ander.


innerself subscribe graphic


Modellering van die spiere

Om die tegnologie te toets, werk die span by Keele saam met die Cleveland FES Sentrum in die VSA, waar hulle inplant tot 24-elektrodes in die spiere en senuwees van navorsingsdeelnemers. Hulle gebruik modellering om te besluit waar om die elektrodes te plaas, want daar is meer verlamde spiere as elektrodes in huidige FES-stelsels.

As jy moet kies, is dit beter om die abnapularis of die supraspinatus te stimuleer? As jy die okselagtige senuwee stimuleer, moet jy die elektrode voor of na die tak na die kleinste plaas? Om hierdie moeilike vrae te beantwoord, hulle hardloop simulasies met verskillende stelle elektrodes en kies die een wat die rekenaarmodelle toelaat om die mees effektiewe bewegings te maak.

{Youtube} 1GKfWow6aFA {youtube}

Tans werk die span aan die skouer, wat gestabiliseer word deur 'n groep spiere wat die rotator manchet genoem word. As jy die vuur instruksies vir die arm verkeerd kry, kan dit vir die soplepel kom in plaas van die bottermes. As jy die instruksies aan die rotator manchet verkeerd kry, kan die arm uit die skouer uitkom. Dit is nie 'n goeie kyk vir die rekenaarmodelle nie, maar hulle kla nie. Navorsingsdeelnemers sal minder vergewensgesind wees.

Om te weet hoe om verlamde spiere te aktiveer om nuttige bewegings te maak soos om te gryp, is net die helfte van die probleem. Ons moet ook weet wanneer om die spiere te aktiveer, byvoorbeeld wanneer die gebruiker 'n voorwerp wil optel. Een moontlikheid is om hierdie inligting direk vanaf die brein te lees. onlangs het navorsers in die VSA 'n inplantaat gebruik om na individuele selle in die brein van 'n verlamde individu te luister. Omdat verskillende bewegings geassosieer word met verskillende patrone van breinaktiwiteit, kon die deelnemer een van ses vooraf geprogrammeerde bewegings kies wat dan deur stimulering van die handspiere gegenereer is.

Lees die brein

Dit was 'n opwindende stap vorentoe vir die gebied van neurale prostetika, maar baie uitdagings bly. Ideaal gesproke moet breinimplantasies vir baie dekades duur. Op die oomblik is dit moeilik om dieselfde seine selfs oor 'n paar weke op te neem, sodat hierdie stelsels gereeld herkalibreer moet word. Die gebruik van nuwe inplantingsontwerpe or verskillende brein seine kan die langtermyn stabiliteit verbeter.

Implantate luister ook net na 'n klein deel van die miljoene selle wat ons ledemate beheer, sodat die omvang van bewegings wat uitlees, beperk kan word. Maar brein beheer van robot ledemate Met verskeie grade-van-vryheid (beweging, rotasie en gryp) is bereik en die vermoëns van hierdie tegnologie vorder vinnig.

Laastens, die gladde, moeiteloos bewegings wat ons gewoonlik vanselfsprekend aanvaar, word gelei deur ryk sensoriese terugvoer wat ons vertel waar ons arms in die ruimte is en wanneer ons vingerpunte voorwerpe raak. Hierdie seine kan egter ook na besering verlore raak navorsers werk op breinimplantate wat eendag sensasie sowel as beweging kan herstel.

Sommige wetenskaplikes spekuleer dat breinlees tegnologie kan help om individue doeltreffend te kommunikeer met rekenaars, selfone en selfs direk na ander brein. Dit bly egter die gebied van wetenskapsfiksie, terwyl breinbeheer vir mediese toepassings vinnig kliniese realiteit word.

Oor die skrywers

Dimitra Blana, Navorsingsgenoot in Biomediese Ingenieurswese, Keele Universiteit

Andrew Jackson, Wellcome Trust Senior Navorsingsgenoot, Newcastle Universiteit

Hierdie artikel is oorspronklik gepubliseer op Die gesprek. Lees die oorspronklike artikel.

verwante Boeke

at InnerSelf Market en Amazon