Utvecklingen av "sinnestyrda" bioniska enheter flyttade ytterligare ett steg närmare idag med publiceringen av en Nature Biotechnology paper som beskriver hur en liten, 3cm-lång stent som innehåller 12-elektroder en dag kan hjälpa människor som lever med ryggmärgsskada att gå med tankens kraft.

Enheten, kallad "stentrode", sätts in i halsen i halsen och skjuts upp venen tills den når hjärnans motoriska cortex, som är ansvarig för muskelaktivitet.

Jag har varit en del av 39-personteamet som utvecklar och testar enheten, och vi planerar nu en klinisk prövning nästa år i Victoria.

Hur fungerar det?

Stentrodes position, längs med motorbarken, tillåter den att ta emot nervsignaler som initierar rörelse. Den skickar de signalerna ned 12-mikrolingar till ett datorgränssnitt.

University of Melbourne. källa

Här översätts signalerna till information som kan manipulera allt från ett bioniskt protesben till ett exoskelett med full kropp, ett externt skelett av transformatortyp.

Arbetet bygger på tidigare forskning, som i 2002 hittades apor kan flytta en datormarkör med tankens kraft. Detta visade att det teoretiskt var möjligt att kontrollera en bionisk lem genom att tänka ensam.

Därefter använde forskare elektrodenheter, till exempel Utah-elektroduppsättningoch implanterade dem kirurgiskt strax under skallen in i cortex hos människor. Dessa enheter gav fantastiska resultat, inklusive förmåga för förlamade patienter för att använda en avlägsen bionisk lem, helt åtskild från kroppen, och ta en slurk kaffe. Dessa enheter utvecklas fortfarande av ett företag som heter BrainGate.

Insättning av dessa enheter kräver dock större hjärnkirurgi som medför risker för infektion och immunavstötning. Kirurgiskt implanterade elektroduppsättningar kan också orsaka hjärninflammation och drabbas av försämring av signalkvaliteten under sex månader till ett år.

Stentroden syftar till att övervinna dessa problem. Genom att sitta inuti hjärnans kärlsystem införlivas stentroden i kärlväggen och skyddar den från hjärnans immunceller. Våra prekliniska studier visar att hjärnan signalerar att stentrodesupptagningen faktiskt blir renare och starkare med tiden när denna blodkärlinkorporering äger rum.

Nästa steg: implantera patienter

De första patienterna som får stentrodeimplantaten är personer som har drabbats av ryggmärgsskada och slutat med quadriplegia.

Innan de får implantatet kommer patienterna att genomgå funktionell MR-skanning. De kommer att uppmanas att föreställa sig att flytta armen åt vänster och höger, upp och ner, och att föreställa sig att flytta handen mot mål på en datorskärm.

Detta kommer att producera en virtuell karta över motorcortex som kirurgerna kan sträva efter under stentrodeimplantationskirurgin, för att säkerställa att anordningen ligger över den lämpliga regionen i motorcortex.

Då kommer patientens egen hjärna att inleda ett inlärningsparadigm, mycket som lär sig att spela ett instrument, eller en ny motorisk färdighet. Neuroner i motorbarken kommer att avfyras som svar på en patients tanke, som sedan kommer att översättas till en rörelse av en markör, en bionisk lem eller en exoskelet.

Ursprungligen kommer dessa rörelser att vara ryckiga, okoordinerade och ger felaktiga resultat. Men genom en process med prövning och fel gör hjärnans neuroplastiska egenskaper det möjligt att förfina den neurala aktiviteten, så småningom tillåta koordinerade aktiviteter som att dricka ett kaffe eller gå med hjälp av en exoskelett.

Andra möjliga användningar

Det mycket grenade kärlsystemet i hjärnan innebär att stentroden potentiellt kan deponeras i andra kärl för att behandla en mängd olika sjukdomar.

Det har potential att förutsäga epileptiska anfall, till exempel om de placeras i hjärnregionen som ger upphov till anfallen. Hjärnans nervaktivitet förändras på förutsägbara sätt innan ett anfall börjar. Stentroden kunde plocka upp dessa berättande varningssignaler och varna patienten för att upphöra med alla aktiviteter som skulle göra dem eller andra i fara, till exempel körning eller simning.

Stentroden kan också användas som en neurostimuleringsanordning. Nuvarande terapier för Parkinsons sjukdom inkluderar djup hjärnstimulering (DBS) för att frigöra den dopamin som krävs för smidig, koordinerad rörelse. Att använda stentroden som en alternativ stimulator skulle lindra risker av att implantera stimulatorer djupt in i hjärnan.

Enheten kan också hjälpa personer med motorisk neuronsjukdom (MND) som rånas förmågan att röra sig, prata, äta och så småningom andas. I det skede där människor tappar förmågan att kommunicera kan stentroden användas för att ge ett gränssnitt för människor att kontrollera en dator. Detta kan ge dem värdefulla månader eller år där de kan fortsätta att kommunicera med sina nära och kära.

Stentrodes första in-human kliniska studier planeras för 2017. Under förutsättning att vi ser de förväntade resultaten hoppas vi att en kommersiellt tillgänglig version av tekniken skulle vara tillgänglig under första hälften av 2020.

Under tiden är ett syfte att lägga till fler elektroder, vilket möjliggör finare kontroll för förlamade patienter att inte bara gå igen, men få fina fingerrörelser. Kan vi en dag se en "förlamad" violinvirtuos? Vi kan försöka.