Przywrócenie zdolności chodzenia za pomocą innowacyjnego, bezprzewodowego interfejsu neuronowego
Opisane niedawno w czasopiśmie »Nature« badania zostały przeprowadzone przez naukowców i neuroinżynierów w ramach międzynarodowej współpracy pod kierunkiem École polytechnique fédéral de Lausanne, Szwajcaria (uczelnia koordynująca projekty WALK AGAIN oraz E-WALK) wraz z Uniwersytetem Browna, USA, Fraunhofer ICT-IMM, Niemcy (koordynator projektu NEUWALK) i Medtronic. Prace opierają się na technologiach opracowanych na Uniwersytecie Browna i przetestowanych we współpracy z Uniwersytetem w Bordeaux, Motac Neuroscience oraz Szpitalem Uniwersyteckim w Lozannie. „Opracowany przez nas system wykorzystuje sygnały rejestrowane w korze ruchowej mózgu do skoordynowanego stymulowania elektrycznego nerwów odpowiedzialnych za czynności ruchowe w rdzeniu kręgowym” – zauważa David Borton, adiunkt na wydziale inżynierii Uniwersytetu Browna i jeden z naczelnych autorów raportu z badań. System został przetestowany na dwóch makakach i istnieje nadzieja, że podobny zostanie niedługo zaprojektowany dla osób z uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Zdolność poruszania się to efekt złożonego, wzajemnego oddziaływania neuronów w mózgu i rdzeniu kręgowym, gdzie sygnały elektryczne pochodzące z kory ruchowej mózgu kierują się do odcinka lędźwiowego w dolnej części rdzenia kręgowego. Tam powodują aktywację neuronów ruchowych, które koordynują ruch mięśni odpowiadających za prostowanie i zginanie nogi. Uraz usytuowany w górnej części kręgosłupa może przerwać komunikację między mózgiem a dolną częścią rdzenia kręgowego, co oznacza brak koordynacji między korą ruchową a neuronami tego odcinka rdzenia powodujący utratę zdolności chodzenia. Nowy system wykorzystuje układ elektrod wielkości tabletki wszczepiony do mózgu w celu rejestrowania sygnałów generowanych przez korę ruchową oraz bezprzewodowy neurosensor wysyłający bezprzewodowo sygnały odbierane przez chip w mózgu do komputera, który je dekoduje i wysyła z powrotem, również bezprzewodowo, do elektrycznego stymulatora rdzeniowego wszczepionego w odcinek lędźwiowy, poniżej miejsca urazu. Stymulacja elektryczna, dostarczana we wzorcach koordynowanych przez dekodowany mózg, przekazuje sygnały do nerwów rdzeniowych kontrolujących zdolność poruszania się. W celu skalibrowania sygnałów mózgowych, sensor w mózgu i bezprzewodowy przekaźnik wszczepiono zdrowym makakom. Sygnały przekazywane przez sensor mogły być wówczas odwzorowywane w ruchach kończyn dolnych zwierzęcia, wykazując zdolność dekodera do precyzyjnego przewidywania stanów mózgu powiązanych z prostowaniem i zginaniem nóg. Łącząc wiedzę na temat oddziaływania sygnałów mózgowych na zdolność poruszania się z mapami rdzeniowymi, naukowcy przetestowali cały system na dwóch makakach z uszkodzeniami obejmującymi połowę rdzenia kręgowego w odcinku piersiowym. Po włączeniu systemu u osobnika, który nie miał kontroli nad nogą dotkniętą niedowładem, zwierzę zaczynało spontanicznie poruszać nogami i chodzić na ruchomej bieżni. Porównania kinematyczne ze zdrowymi osobnikami z grupy kontrolnej pokazały, że makaki z niedowładem były w stanie, za pomocą sterowanej przez mózg stymulacji, osiągnąć niemal normalne wzorce lokomotoryczne. „Bezprzewodowość umożliwia nam odwzorowywanie aktywności neuronalnej w normalnych kontekstach i w czasie naturalnych zachowań” – stwierdził Borton. „Jeżeli naszym rzeczywistym celem są neuroprotezy, które pewnego dnia będą w stanie wspomóc pacjentów przy codziennych czynnościach, to tego typu technologie nie powodujące uwiązania będą mieć kluczowe znaczenie”. Wybiegając w przyszłość, istnieje nadzieja, że podobny system zostanie opracowany dla ludzi, aczkolwiek nadal są pewne przeszkody, które trzeba przezwyciężyć. Chociaż w ramach badań sygnały były z powodzeniem przekazywane z mózgu do rdzenia kręgowego, opracowany system nie jest w stanie przesłać informacji sensorycznych do mózgu. Zespołowi nie udało się także przetestować, jaki nacisk zwierzęta były w stanie wywrzeć na nogę dotkniętą niedowładem. „W neuronauce funkcjonuje takie powiedzenie, że obwody, które się razem aktywują także się stymulują” – zauważył Borton. „Zamysł polega na tym, że łączne pobudzenie mózgu i rdzenia kręgowego może być w stanie zintensyfikować rozwój obwodów w okresie rehabilitacji. To jedno z nadrzędnych dążeń tych prac i cel tej dziedziny w ogóle”. Więcej informacji: witryna projektu NEUWALK strona projektu E-WALK w serwisie CORDIS strona projektu WALK AGAIN w serwisie CORDIS
Kraje
Szwajcaria, Niemcy
