Wetenskaplikes het 'n draadlose "brein-spinale koppelvlak" gebruik om rugmurgbeserings te omseil in 'n paar rhesus-macaques, wat die opsetlike loopbeweging tot 'n tydelike verlamde been herstel.
Navorsers sê dit is die eerste keer dat 'n neurale prostetika gebruik word om die bewegende beweging direk na die bene van nie-menslike primate te herstel.
"Die stelsel wat ons ontwikkel het, gebruik seine wat uit die motoriese korteks van die brein aangeteken is om gekoördineerde elektriese stimulasie van senuwees in die ruggraat te verseker wat verantwoordelik is vir voortbeweging," sê David Borton, assistent-professor in ingenieurswese aan die Brown Universiteit en 'n mede-hoof skrywer van die studie. "Met die stelsel aangeskakel, het die diere in ons studie byna normale voortbeweging gehad."
Die werk kan help met die ontwikkeling van 'n soortgelyke stelsel wat ontwerp is vir mense wat rugmurgbeserings het.
Herstel kommunikasie
"Daar is bewyse dat 'n brein beheerde ruggraat stimulasie stelsel rehabilitasie kan verbeter na 'n rugmurgbesering," sê Borton. "Dit is 'n stap in die rigting van verdere toetsing van die moontlikheid."
Grégoire Courtine, 'n professor van Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL) wat die samewerking gelei het, het kliniese proewe in Switserland begin om die ruggraatdeel van die koppelvlak te toets. Hy waarsku: "Daar is baie uitdagings voor en dit kan 'n paar jaar duur voordat al die komponente van hierdie ingryping in mense getoets kan word."
Loop is moontlik vanweë 'n komplekse wisselwerking tussen neurone in die brein en rugmurg. Elektriese seine wat afkomstig is van die brein se motoriese korteks beweeg af na die lumbale streek in die onderste rugmurg, waar hulle motorneurone aktiveer wat die beweging van die spiere wat verantwoordelik is vir die uitbreiding en buiging van die been, koördineer.
Besering aan die boonste ruggraat kan kommunikasie tussen die brein en laer rugmurg afsny. Beide die motoriese korteks en die ruggraatneurons kan ten volle funksioneel wees, maar hulle kan nie hul aktiwiteit koördineer nie. Die doel van die studie was om sommige van daardie kommunikasie te herstel.
Die brein-ruggraat koppelvlak gebruik 'n pil-grootte elektrode skikking ingeplant in die brein seine van die motor korteks op te teken. Die sensor tegnologie is ontwikkel vir die ondersoek vir menslike gebruik deur die BrainGate-samewerking, 'n navorsingspan wat Brown, Case Western Reserve University, Massachusetts Algemene Hospitaal, die Providence VA Mediese Sentrum en die Stanford Universiteit insluit.
Die tegnologie word gebruik in lopende proef kliniese proewe, en is voorheen gebruik in a bestudeer gelei deur die bruin neuro-ingenieur Leigh Hochberg, waarin mense met tetraplegie 'n robotarm kon bestuur deur eenvoudig te dink aan die beweging van hul eie hand.
'N Trådlose neurosensor, wat in die neuro-ingenieurswese van Brown professor Arto Nurmikko ontwikkel is deur 'n span wat Borton insluit, stuur die seine wat deur die brein-chip versend word, draadloos na 'n rekenaar wat hulle dekodeer en stuur hulle draadloos terug na 'n elektriese spinale stimulator wat in die lumbale geïmplanteer is. ruggraat, onder die area van besering. Dat elektriese stimulasie, gelewer in patrone gekoördineer deur die gedekodeerde brein, dui op die ruggraat senuwees wat die voortbeweging beheer.
Om die dekodering van breinseine te kalibreer, het die navorsers die breinsensor en draadlose sender in gesonde makaques ingeplant. Die seine wat deur die sensor herlees word, kan dan op die diere se beenbewegings gekarteer word. Hulle het getoon dat die dekodeerder die breinstate wat verband hou met verlenging en buiging van beenspiere akkuraat voorspel het.
Draadloos is noodsaaklik
Die vermoë om brein seine draadloos te stuur was van kritieke belang vir hierdie werk, sê Borton. Wired brein-sensing stelsels beperk die vryheid van beweging, wat op sy beurt die inligting beperk navorsers in staat is om oor lokomotief te versamel.
"Deur dit draadloos te doen, kan ons die neurale aktiwiteit in normale kontekste en tydens natuurlike gedrag karteer," sê Borton. "As ons werklik mik vir neuroprostetika wat eendag ontplooi kan word om menslike pasiënte gedurende die daaglikse lewe te help, sal sulke onophoudelike opname-tegnologieë krities wees."
Vir die huidige werk, gepubliseer in Aard, Die navorsers het hul begrip gekombineer van hoe breinseine die voortplanting met ruggraatkaarte beïnvloed, wat deur Courtine se laboratorium by EPFL ontwikkel is, wat die neurale hotspots in die ruggraat wat verantwoordelik is vir lokomotoriese beheer, geïdentifiseer het. Dit het die span in staat gestel om die neurale stroombane wat deur die ruggraatimplantaat gestimuleer moet word, te identifiseer.
Met hierdie stukke in plek het die navorsers die hele stelsel op twee makaques getoets met letsels wat die helfte van die rugmurg in hul torakale ruggraat gespan het. Macaques met hierdie tipe besering herwin gewoonlik die funksionele beheer van die betrokke been oor 'n tydperk van 'n maand of so, sê die navorsers. Die span het hul stelsel in die weke na die besering getoets, toe daar nog geen vrywillige beheer oor die betrokke been was nie.
Die bevindings toon dat die diere met spanning hul bene beweeg terwyl hulle op 'n trapmeul loop. Kinematiese vergelykings met gesonde beheermaatreëls het getoon dat die gebrekkige macaques, met behulp van breinbeheerde stimulasie, byna normale lokomotoriese patrone kon produseer.
Terwyl die feit dat die stelsel in 'n nie-menslike primaat werk, 'n belangrike stap is, het die navorsers beklemtoon dat daar nog baie meer werk gedoen moet word om die stelsel in die mens te toets. Hulle het ook verskeie beperkings in die studie uitgewys.
Byvoorbeeld, terwyl die stelsel wat in hierdie studie gebruik is, suksesvol die seine van die brein na die ruggraat oorgedra het, is dit nie die vermoë om sensoriese inligting na die brein terug te gee nie. Die span kon ook nie toets hoeveel druk die diere op die betrokke been kon toepas nie. Terwyl dit duidelik was dat die ledemaat 'n mate van gewig dra, was dit nie duidelik uit hierdie werk hoeveel nie.
"In 'n volledige vertalingsstudie wil ons meer kwantifisering doen oor hoe gebalanseerd die dier loop terwyl ons die kragte meet wat hulle kan toepas," meet Borton.
Ten spyte van die beperkinge, stel die navorsing die verhoog vir toekomstige studies in primate en, op 'n sekere punt, moontlik as 'n rehabilitasiehulpmiddel in die mens.
"Daar is 'n spreekwoord in die neurowetenskap dat stroombane wat saam brand, saamdra," sê Borton. "Die idee hier is dat deur die brein en die rugmurg saam te vat, kan ons die groei van stroombane tydens rehabilitasie verbeter. Dit is een van die belangrikste doelstellings van hierdie werk en 'n doelwit van hierdie veld in die algemeen. "
Befondsing kom van die Sewende Raamwerkprogram van die Europese Gemeenskap, die Internasionale Stigting vir Navorsing in Paraplegia-toekenning van die Europese Navorsingsraad, die Wyss-sentrum in Genève Marie Curie-genootskap, Marie Curie COFUND EPFL-beurse, Medtronic Morton Cure Paralysis Fund-beurs, NanoTera.ch Program, Nasionale Sentrum vir Bevoegdheid in Navorsing in Robotics Sinergia-program, Sino-Switserse Wetenskap en Tegnologie-samewerking, en die Switserse Nasionale Wetenskapstigting
Bron: Brown Universiteit
{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}
Verwante Boeke:
at InnerSelf Market en Amazon
