How Brain Implants Can Let Paralyzed People Move Again

Något så enkelt som att ta upp en kopp te kräver en hel del action från din kropp. Din arm muskler eld för att flytta armen mot koppen. Din fingermuskel brinner för att öppna handen och böja fingrarna runt handtaget. Din axelmuskulatur håller din arm från att poppa ut ur din axel och dina kärnmuskler säkerställer att du inte spetsar på grund av koppens extra vikt. Alla dessa muskler måste elda på ett exakt och samordnat sätt, och ändå är din enda medvetna ansträngning tanken: "Jag vet: te!"

Det är därför som gör det möjligt för en förlamad lem att flytta igen. De flesta förlamade musklerna kan fortfarande fungera, men deras kommunikation med hjärnan har gått vilse, så de får inte instruktioner för att skjuta. Vi kan ännu inte reparera skador på ryggmärgen, så en lösning är att kringgå den och ge instruktionerna till musklerna konstgjort. Och tack vare utvecklingen av teknik för läsning och tolkning av hjärnaktivitet kan dessa instruktioner en dag komma direkt från patientens sinne.

Vi kan göra förlamade muskler eld genom att stimulera dem med elektroder placerade inuti musklerna eller runt nerverna som levererar dem, en teknik som kallas funktionell elektrisk stimulering (FES). Förutom att hjälpa förlamade människor flyttar, används det också för att återställa blåsfunktionen, producera effektiv hosta och ge smärtlindring. Det är en fascinerande teknik som kan göra en stor skillnad i livet för personer med ryggmärgsskada.

Dimitra Blana och hennes kollegor på Keele arbetar med att matcha denna teknik med den komplexa uppsättningen instruktioner som behövs för att använda en arm. Om du vill hämta den koppen, vilka muskler behöver eld, när och hur mycket? Avfyrningsanvisningarna är komplicerade och inte bara på grund av det stora antalet kärn-, axel-, arm- och fingermuskler som är inblandade. När du dricker långsamt ditt te, ändras dessa instruktioner, eftersom koppens vikt ändras. Att göra något annat, som att skrapa näsan, är instruktionerna helt olika.

Istället för att bara prova olika skjutmönster på de förlamade musklerna i hopp om att hitta en som fungerar kan du använda datormodeller i muskuloskeletala systemet att beräkna dem. Dessa modeller är matematiska beskrivningar av hur muskler, ben och leder fungerar och interagerar under rörelsen. I simuleringarna kan du göra musklerna starkare eller svagare, "förlamade" eller "externt stimulerade". Du kan testa olika skjutmönster snabbt och säkert, och du kan få modellerna att plocka upp sina koppar om och om igen - ibland mer framgångsrikt än andra.


innerself subscribe graphic


Modellera musklerna

För att testa tekniken arbetar teamet på Keele med Cleveland FES Center i USA, där de implantat upp till 24-elektroder in i forskningsdeltagarnas muskler och nerver. De använder modellering för att bestämma var man ska placera elektroderna eftersom det finns fler förlamade muskler än elektroder i nuvarande FES-system.

Om du måste välja, är det bättre att stimulera abnapularis eller supraspinatus? Om du stimulerar axillärnerven, ska du placera elektroden före eller efter filialen till teresna mindre? För att svara på dessa svåra frågor, de kör simuleringar med olika uppsättningar av elektroder och välj den som låter datormodellerna göra de mest effektiva rörelserna.

{Youtube} 1GKfWow6aFA {youtube}

För närvarande arbetar laget på axeln, vilket stabiliseras av en grupp muskler som kallas rotatorkuffchen. Om du får bränningsinstruktionerna för armen fel kan den nå upp till soppskedet istället för smörkniven. Om du får instruktionerna till rotatorkuffen fel kan armen komma ut ur axeln. Det är inte en bra titt på datormodellerna, men de klagar inte. Forskningsdeltagare skulle vara mindre förlåtande.

Att veta hur man aktiverar förlamade muskler för att producera användbara rörelser som att gripa är bara hälften av problemet. Vi behöver också veta när du ska aktivera musklerna, till exempel när användaren vill hämta ett objekt. En möjlighet är att läsa denna information direkt från hjärnan. Nyligen, forskare i USA använde ett implantat för att lyssna på enskilda celler i hjärnan hos en förlamad individ. Eftersom olika rörelser är förknippade med olika mönster av hjärnaktivitet kunde deltagaren välja en av sex förprogrammerade rörelser som sedan genererades genom stimulering av handmuskler.

Läser hjärnan

Detta var ett spännande steg framåt för området för neuroprosthet, men många utmaningar kvarstår. Helst måste hjärnimplantat vara i många årtionden - för närvarande är det svårt att spela in samma signaler även över flera veckor, så att dessa system måste omkalibreras regelbundet. Använder sig av nya implantatdesigner or olika hjärnsignaler kan förbättra långsiktig stabilitet.

Implanterna lyssnar också bara på en liten del av de miljoner celler som styr våra lemmar, så det är begränsat att de olika rörelser som kan läsas ut. Dock, hjärnan kontroll av robot lemmar med flera grader av frihet (rörelse, rotation och gripning) har uppnåtts och förmågan hos denna teknik går snabbt framåt.

Slutligen styrs de smidiga, smidiga rörelserna som vi brukar ta för givet styrs av rik sensorisk återkoppling som berättar för oss var våra armar är i rymden och när våra fingertoppar rör på föremål. Men dessa signaler kan också gå vilse efter skada så forskare arbetar på hjärnimplantat som en dag kan återställa känsla såväl som rörelse.

Vissa forskare spekulerar på att hjärnläsningstekniken skulle kunna hjälpa personer med förmåga att kommunicera mer effektivt med datorer, mobiltelefoner och till och med direkt till andra hjärnor. Men detta är fortfarande riken för science fiction medan hjärnkontrollen för medicinska applikationer snabbt blir klinisk verklighet.

Om Författarna

Dimitra Blana, forskare i biomedicinsk teknik, Keele University

Andrew Jackson, Wellcome Trust Senior Research Fellow, Newcastle University

Den här artikeln publicerades ursprungligen den Avlyssningen. Läs ursprungliga artikeln.

relaterade böcker

at InnerSelf Market och Amazon