En hjärnimplantat som gör att Paralyzed Monkeys Walk

Forskare har använt ett trådlöst "hjärn-spinal-gränssnitt" för att kringgå ryggmärgsskador i ett par rhesusmakar, vilket återställer avsiktlig gångrörelse till ett tillfälligt förlamat ben.

Forskare säger att detta är första gången en neuralprotes har använts för att återställa gångrörelsen direkt till benen till icke-humana primater.

"Det system som vi har utvecklat använder signaler registrerade från hjärnans motorcortex för att utlösa samordnad elektrisk stimulering av nerver i ryggraden som är ansvariga för rörelse", säger David Borton, biträdande professor i teknik vid Brown University och en medarbetare författare av studien. "När systemet startade hade djuren i vår studie nästan normal körning."

Arbetet kan hjälpa till med att utveckla ett liknande system som är utformat för människor som har haft ryggmärgsskador.

Upprätta kommunikationen

"Det finns bevis för att ett hjärnstyrt spinalstimuleringssystem kan förbättra rehabilitering efter ryggmärgsskada, säger Borton. "Detta är ett steg mot att ytterligare testa den möjligheten."

Grégoire Courtine, en professor vid Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL), som ledde samarbetet, har påbörjat kliniska prövningar i Schweiz för att testa grinddelen av gränssnittet. Han varnar: "Det finns många utmaningar framöver, och det kan ta flera år innan alla komponenter i denna intervention kan testas hos människor."


innerself prenumerera grafik


Promenader är möjliga på grund av ett komplext samspel mellan nervceller i hjärnan och ryggmärgen. Elektriska signaler med ursprung i hjärnans motoriska cortex reser ner till ländryggen i nedre ryggmärgen, där de aktiverar motorneuroner som samordnar rörelsen hos muskler som är ansvariga för att förlänga och böja benet.

Skada på den övre ryggraden kan skära av kommunikation mellan hjärnan och nedre ryggmärgen. Både motorcortex och ryggmärgsneuroner kan vara fullt fungerande, men de kan inte samordna sin aktivitet. Målet med studien var att återupprätta en del av den kommunikationen.

Hjärn-ryggradsgränssnittet använder en elektroduppsättning i piller som är implanterad i hjärnan för att spela in signaler från motorcortexen. Sensortekniken utvecklades delvis för undersökningsanvändning hos människor av BrainGate-samarbetet, ett forskargrupp som inkluderar Brown, Case Western Reserve University, Massachusetts General Hospital, Providence VA Medical Center och Stanford University.

Tekniken används i pågående pilot-kliniska prövningar och användes tidigare i a studera ledd av Brown neuroengineer Leigh Hochberg där personer med tetraplegi kunde driva en robotarm helt enkelt genom att tänka på egen handflöde.

En trådlös neurosensor, som utvecklats i neuroengineeringslaboratoriet av Brown professor Arto Nurmikko av ett team som inkluderade Borton, skickar signalerna som samlas in av hjärnchipet trådlöst till en dator som avkodar dem och skickar dem trådlöst tillbaka till en elektrisk spinalstimulator implanterad i ländryggen ryggraden under skadeområdet. Den elektriska stimulansen, levererad i mönster som koordineras av den avkodade hjärnan, signalerar till ryggmärgen som styr rörelsen.

För att kalibrera avkodningen av hjärnsignaler implanterade forskarna hjärnens sensor och trådlösa sändare i friska makaker. Signalerna som reläeras av sensorn kan sedan kartläggas på djurens benrörelser. De visade att avkodaren kunde exakt förutsäga hjärnstaterna i samband med förlängning och flexion av benmusklerna.

Trådlös är avgörande

Möjligheten att överföra hjärnsignaler trådlöst var kritisk för detta arbete, säger Borton. Trådbundna hjärnavkänningssystem begränsar rörelsefriheten, vilket i sin tur begränsar den information som forskarna kan samla om lokomotiv.

"Genom att göra det här trådlöst kan vi kartlägga neurala aktiviteten i normala sammanhang och under naturligt beteende, säger Borton. "Om vi ​​verkligen strävar efter neuroprostetik som en gång kan användas för att hjälpa mänskliga patienter under vardagens aktiviteter, kommer en sådan otätad inspelningsteknik att vara avgörande."

För det nuvarande arbetet, publicerat i Natur, Forskarna kombinerade sin förståelse för hur hjärnsignaler påverkar rörelsen med ryggraden, utvecklad av Courtines laboratorium vid EPFL, som identifierade de neurala hotspotsna i ryggraden som är ansvariga för lokomotorisk kontroll. Det gjorde det möjligt för laget att identifiera de neurala kretsarna som bör stimuleras av ryggradsimplantatet.

Med dessa bitar på plats testade forskarna hela systemet på två makar med lesioner som spände över halva ryggmärgen i bröstkorgsbenen. Makaker med denna typ av skada återfår vanligtvis funktionell kontroll av det drabbade benet under en period av en månad eller så, säger forskarna. Teamet testade sitt system i veckorna efter skadan, när det fortfarande inte fanns någon kontroll över det drabbade benet.

Resultaten visar att djuren började spontant röra sina ben när de gick på en löpband. Kinematiska jämförelser med friska kontroller visade att de lesioned makarna, med hjälp av hjärnstyrd stimulering, kunde producera nästan normala lokomotoriska mönster.

Samtidigt som det visar sig att systemet fungerar i ett icke-humant primat är ett viktigt steg, betonade forskarna att mycket mer arbete måste göras för att börja testa systemet hos människor. De påpekade också flera begränsningar i studien.

Till exempel, medan det system som används i denna studie framgångsrikt överförde signaler från hjärnan till ryggraden, saknar den möjligheten att återföra sensorisk information till hjärnan. Laget kunde inte heller testa hur mycket tryck djuren kunde applicera på det drabbade benet. Medan det var tydligt att benen hade lite vikt, så var det inte klart från detta arbete hur mycket.

"I en fullständig översättningsstudie vill vi göra mer kvantifiering om hur balanserat djuret är under gång och mäta krafterna som de kan tillämpa, säger Borton.

Trots begränsningarna sätter forskningen scenen för framtida studier i primater och, vid något tillfälle, potentiellt som ett rehabiliteringshjälpmedel hos människor.

"Det finns ett ordspråk i neurovetenskap som kretsar som brinner ihop tillsammans," säger Borton. "Tanken här är att genom att engagera hjärnan och ryggmärgen tillsammans kan vi öka tillväxten av kretsar under rehabilitering. Det är ett av de viktigaste målen för detta arbete och ett mål för detta område i allmänhet. "

Finansieringen kom från Europeiska gemenskapens sjunde ramprogram, International Foundation for Research in Paraplegia Starting Grant från European Research Council, the Wyss Center in Geneva Marie Curie Fellowship, Marie Curie COFUND EPFL fellowships, Medtronic Morton Cure Paralysis Fund fellowship, NanoTera.ch Program, National Center of Competence in Research in Robotics Sinergia program, Kinaschweiziska vetenskaps- och teknologisamarbete och Swiss National Science Foundation.

källa: Brown University

{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}

Relaterade böcker:

at InnerSelf Market och Amazon