211service.com
Smadzeņu mikroshēmas piešķir paralizētiem pacientiem jaunas pilnvaras
Neirozinātnieki sapņo izveidot neironu protezēšanu, kas ļautu paralizētiem pacientiem atgūt kontroli pār savām rokām un kājām. Lai gan šis mērķis vēl ir tālu, Brauna universitātes un Masačūsetsas vispārējās slimnīcas pētnieki ziņo par daudzsološu soli uz priekšu.
Metjū Nagle, 25 gadus vecs vīrietis, kurš 2001. gadā bija paralizēts pēc naža brūces, bija pirmais, kurš izmēģināja ķirurģiski implantētu elektrodu bloku. (Kredīts: Džošua Pols.)
Pētījumā, kas publicēts žurnālā Daba šonedēļ pētnieki apraksta, kā divi paralizēti pacienti ar ķirurģiski implantētu neironu ierīci veiksmīgi kontrolēja datoru un vienā gadījumā robotu roku, izmantojot tikai savu prātu.
[Noklikšķiniet šeit, lai skatītu pacienta video datora kursora kontrole un a roku protēze .]
Tā ir pirmā reize, kad šādi rezultāti tiek sasniegti ar neironu implantiem cilvēkiem. Pētnieki tagad uzlabo eksperimentālo sistēmu par komerciālu produktu, kas varētu palīdzēt pacientiem viņu ikdienas dzīvē. Viņi plāno padarīt ierīci bezvadu un pilnībā implantējamu, kā arī uzlabot kustību ātrumu un sarežģītību, ko var veikt pacienti, kuri izmanto implantu.
Tas ir nozīmīgs pētījums, jo tas parāda, ka pat vairākus gadus pēc traumas jūs joprojām varat ierakstīt noderīgus signālus no smadzenēm un izmantot tos, lai vadītu ierīci, saka. Džozefs Pankracio , neironu inženierijas pētījumu programmas direktors Nacionālajā neiroloģisko traucējumu un insulta institūtā Betesdā, MD. Šī grupa patiešām ir pārcēlusi robežu.
Muguras smadzeņu traumu un dažu veidu insultu laikā tiek traucēta informācijas pārraides sistēma starp smadzenēm un muskuļiem. Neironu ierīču, piemēram, pētījumā izmantoto, mērķis ir reģistrēt un apstrādāt esošos signālus un izmantot tos, lai kontrolētu datora kursoru, robotu roku vai pat paralizētu ekstremitāti. Brown/MGH pētnieki pirmo reizi implantēja smadzeņu mikroshēmu cilvēkam 2004. gada jūnijā. Un, lai gan kopš tā laika ir bijušas veiksmes pazīmes, Daba papīrs ir pirmā salīdzinošā pārskatīšanas publikācija, kurā sīki aprakstīts, ko paralizēti pacienti var darīt ar implantu. ( Tehnoloģiju apskats ziņoja par Donoghue darbu ar Nagle pagājušajā gadā izdevumā Implanting Hope, 2005. gada martā.)
Pētījumā izmantotā smadzeņu un datora saskarne, ko izveidoja Kiberkinētika Neirotehnoloģiju sistēmas Foxborough, MA, sastāv no niecīgas silīcija mikroshēmas, kurā ir 100 elektrodi, kas reģistrē signālus no simtiem neironu motora garozā. Pēc tam datora algoritms pārvērš šo sarežģīto darbības modeli signālā, ko izmanto ārējās ierīces vadīšanai.
Pirmais pacients, kuram tika implantēta ierīce, 25 gadus vecs vīrietis, kurš 2001. gadā tika paralizēts pēc naža brūces, veiksmīgi iemācījās vadīt datora kursoru, prasmīgi pārvietojoties pa e-pasta programmu un izmantojot datoru, lai ieslēgtu televizoru. un mainiet kanālu. Kad ierīce tika savienota ar robotu roku, viņš ātri iemācījās kontrolēt roku, paņemot un iemetot tehniķa rokā konfekti. Tas bija aizraujoši, jo viņš to saprata ļoti ātri — apmēram desmit minūtes, saka Džons Donogjū , projekta vecākais zinātnieks, Cyberkinetics dibinātājs un neirozinātnieks Brauna Universitātē Providensas, RI. (Noklikšķiniet šeit, lai skatītu video, kurā pacients kontrolē datora kursoru un protēžu roku.)
Divi citi izmēģinājumā iesaistītie pacienti, abi ar dažāda veida traumām, arī iemācījušies manipulēt ar datorprogrammu, lai gan viņi vēl nav izmēģinājuši robotroku. Rezultāti liecina, ka šīs ierīces ir iespējams izmantot reālās pasaules apstākļos, taču mums ir tāls ceļš ejams līdz ikdienas lietošanai, saka Donohue.
Neirozinātnieki ir izmantojuši līdzīgas ierīces pērtiķiem un citiem dzīvniekiem vairākus gadus, bet Donohue pētījums ir pirmais, kurā tiek pārbaudīti ķirurģiski implantēti elektrodu bloki cilvēkiem. Tas ir liels lēciens šīs tehnoloģijas ieviešanai cilvēkos, saka Stīvens Skots , neirozinātnieks no Karalienes universitātes Kingstonā, Ontario, kurš uzrakstīja komentāru, kas bija pievienots darbam. Tas bija diezgan veiksmīgs pirmajam mēģinājumam – pacienti parādīja dažas iespaidīgas spējas.
Lai gan rezultāti ir daudzsološi, eksperti brīdina, ka tehnoloģija ir sākuma stadijā. Tas joprojām ir tālu no noderīgas ierīces, kas faktiski palielina šī pacienta dzīves kvalitāti, saka Endrjū Švarcs , Pitsburgas universitātes neirozinātnieks, kurš pēta līdzīgas ierīces dzīvniekiem. Tā pati tehnoloģija labāk darbojas pērtiķiem, kas liecina, ka ir jāpaveic vairāk darba, izstrādājot ierakstīšanas elektrodus un programmatūras filtrus, viņš saka.
Pašlaik paralizētiem pacientiem pieejamās palīgierīces, piemēram, datorprogrammas, kas tiek aktivizētas ar balss vai acu kustībām, komandas izpildei balstās uz sekundāru signālu, un tām ir nepieciešams gan apmācības periods, gan augsts koncentrēšanās līmenis. Implantētā ierīce var palīdzēt pacientiem daudz dabiskākā veidā. Tas izmanto visu informāciju, ko smadzenes izmanto, lai pārvietotu [muskuļus], saka Donoghue. Tā kā tas atdarina smadzeņu parasto apstrādes sistēmu, pacienti var kontrolēt kursoru un vienlaikus runāt, viņš saka.
Donoghue un kolēģi tagad pielāgo eksperimentālo sistēmu plašākai lietošanai paredzētajā ierīcē. Pašreizējā sistēmā ir vadi, kas savieno implantu ar ārēju datoru caur galvaskausu, kas rada infekcijas risku. Pētnieki plāno miniaturizēt aparatūru un padarīt to bezvadu, lai varētu implantēt visu sistēmu.
Komanda arī izstrādā jaunu analīzes programmatūru, kas, viņuprāt, ļaus veikt sarežģītākus kustības veidus. Pašlaik pacienti var pārvietoties pa e-pasta programmu vai veikt rupjas kustības ar robotu roku; taču viņi nevar veikt sarežģītākus uzdevumus, piemēram, izmantot robotu, lai rakstītu ar tastatūru vai apēstu zupas bļodu.
Lai veiktu šādas sarežģītas kustības, zinātniekiem vispirms ir jāizveido labāks dekodētājs, algoritms, kas interpretē smadzeņu neironu signālus. Kad smadzenes gatavojas pārvietot, piemēram, roku no kreisās uz labo pusi, miljoniem neironu smadzeņu motorajā garozā iedegas noteiktā veidā. Pētnieki ģenerē dekodētāju, aicinot pacientus iedomāties, ka viņi pārvietojas pa apli, kas izraisa neironu darbību, it kā kustētos paralizētā ekstremitāte. Pēc tam datorprogramma reģistrē un apstrādā šo informāciju, galu galā izveidojot filtru, kas pārvērš turpmāko neironu darbību vēlamajās darbībās.
Taču filtram joprojām ir daudz ierobežotāka spēja tulkot informāciju nekā smadzenēm. Tas izmanto datus no simtiem neironu, nevis miljoniem, un apkopo informāciju no vienas smadzeņu daļas. Donohue un kolēģi tagad izstrādā dažāda veida algoritmus, lai noskaidrotu, kuri ir visvairāk pielāgojami un vislabāk izmanto pieejamos neironu signālus.
Mēs varam pārbaudīt dažādus algoritmus, un pacienti var mums pastāstīt, kuri ir visvieglāk vai jūtas dabiskāk, saka Leigh Hochberg, Masačūsetsas vispārējās slimnīcas neirologs un pētījuma vadošais autors. Man ir aizdomas, ka, ja mēs varam turpināt uzlabot dekodēšanu tikai no neliela apgabala un, iespējams, ierakstīt no vairākiem smadzeņu apgabaliem, mēs varētu vēl vairāk uzlabot cilvēkiem pieejamo vadības sistēmu dažādību.
Citi zinātnieki arī izstrādā veidus, kā padarīt smadzeņu saskarnes daudz ātrākas. Pacientam tas varētu nozīmēt atšķirību starp grūtībām rakstīt e-pastu un tā sastādīšanu ar nelielu piepūli. Darbs ar primātiem, Krišna Šenojs un kolēģi no Stenfordas universitātes Stenfordā, Kalifornijā, spēja četrkāršot informācijas pārsūtīšanas ātrumu, izmantojot līdzīgu implantu, bet ierakstot no citas smadzeņu daļas. Cilvēkam tas nozīmētu rakstīt 15 vārdus minūtē, nevis tikai četrus.
Donoghue galu galā plāno pielāgot savu sistēmu, lai veiktu vēl grandiozākus varoņdarbus. Komanda sadarbojas ar zinātniekiem Case Western Reserve universitātē Klīvlendā, OH, lai izveidotu ierīci, kas izmanto signālus no smadzenēm, lai elektriski stimulētu paralizētus muskuļus, potenciāli ļaujot pacientiem pārvietot savas ekstremitātes.
Nav pārsteidzoši, ka cilvēki to vēlas visvairāk. Kad Donogjū pacientam jautāja, vai viņš labprātāk varētu veikt sarežģītas kustības ar roku protēzi vai rupjas kustības ar savu roku, viņš izvēlējās pēdējo. Ideja par sava ķermeņa reanimāciju bija daudz svarīgāka par to, cik izsmalcināta varētu būt kustība, saka Donogjū.