Smadzeņu pārslēgšana

Daļēji paralizētu pērtiķu pāris atguva spēju kustināt plaukstas, kad pētnieki atsevišķus neironus tieši savienoja ar pērtiķa roku muskuļiem, liecina pētījums, kas publicēts tiešsaistē Daba trešdienā.

Kustini muskuļus: Paralizētie pērtiķi atguva spēju kustināt plaukstas, kad viņu nervu sistēma tika pārslēgta. Savienojot smadzeņu šūnas tieši ar muskuļu šūnām, izmantojot datoru, kas smadzeņu darbību pārvērš elektriskā grūdienā, pētnieki apiet bojāto savienojumu, lai pērtiķi varētu pārvietot savas iepriekš paralizētās plaukstas, lai manipulētu ar kursoru ekrāna lodziņā.

Šī pieeja būtu ļoti svarīga pacientiem ar muguras smadzeņu traumām, saka Ziemeļrietumu universitāte neirozinātnieks Lī Millers , kurš nebija iesaistīts darbā.

Pētnieki, kuru vadīja Eberhards Fecs , fizioloģijas un biofizikas profesors Vašingtonas Universitāte , uz laiku paralizēja katra pērtiķa roku. Pēc tam viņi novirzīja smadzeņu signālus ap bloķēto nervu ceļu, virzot vadus no viena neirona motorajā garozā — smadzeņu zonā, kas ir atbildīga par kustību — caur datoru un rokas muskulī. Ikreiz, kad neirons izšāva virs noteikta ātruma, dators signālu pārveidoja elektrības grūdienā uz rokas muskuli, izraisot tā saraušanos.

Pārbaudot elektroinstalāciju, pētnieki lika katram pērtiķim spēlēt vienkāršu videospēli. Kustinot plaukstas locītavu, pērtiķis varēja manipulēt ar kursoru datora ekrānā. Pārvietojot kursoru uz lodziņu ekrāna malā, pērtiķis saņēma atlīdzību. Lai gan pārvadītā smadzeņu šūna tika izvēlēta nejauši, pērtiķi ātri iemācījās kustināt savas paralizētās plaukstas.

Mēs atklājām, ka gandrīz katrs neirons, ko mēs pārbaudījām smadzenēs, varētu tikt izmantots, lai kontrolētu šāda veida stimulāciju, saka Čets Morics, Vašingtonas universitātes vecākais pētnieks un darba līdzautors. Pat neironus, kas nebija saistīti ar plaukstas kustību pirms nervu bloka, varēja kontrolēt un kooptēt.

Parasti roku kustība — pat viena rokas muskuļa kontrakcija — neizraisās no viena neirona aizdegšanās, bet gan no daudzu neironu koordinētas darbības motorajā garozā. Šie neironi ierosinātu elektrisko signālu, kas izplatītos pa muguras smadzenēm un perifēro nervu starpniecību, lai izraisītu pērtiķa nodomam pielāgotas roku kustības.

Citas grupas ir reģistrējušas šos sarežģītos neironu darbības modeļus un izmantojušas datoru algoritmus, lai tos pārvērstu darbībā, piemēram, pārvietojot datora kursoru. Tā vietā Vašingtonas Universitātes grupa saistīja vienu neironu ar vienu muskuļu. Mūsu pieeja ir radīt neapstrādātu savienojumu starp atsevišķiem neironiem smadzenēs un muskuļiem vai muskuļu grupām, un ļaut pērtiķim iemācīties izmantot šo savienojumu.

Viena neirona izmantošanai ir savas priekšrocības, saka Morics. Vienas šūnas šaušanas ātruma pārvēršana elektriskās strāvas triecienā ir vienkāršs aprēķins, ko viegli veikt ar mobilā tālruņa izmēra ierīci. Vienlaicīgu mērījumu pārvēršana koordinētu muskuļu kustību komplektā prasa daudz lielāku skaitļošanas jaudu.

Bet, lai viena neirona pieeja būtu noderīga paralizētam pacientam, tai būs veiksmīgi jāpalielina. Vienas rokas muskuļa saraušanās sniedz nelielu praktisku atlīdzību; tādām kustībām kā aizsniegšana un satveršana prasa daudz muskuļu, lai strādātu saskaņoti. Pētnieki jau ir spēruši soļus šajā virzienā. Pirmkārt, viņi parādīja, ka viena šūna var strādāt ar diviem dažādiem muskuļiem: augsts šaušanas ātrums lika plaukstai izliekties, bet zems šaušanas ātrums lika tai izplesties. Pēc tam viņi vienlaikus savienoja divus pārvirzītus savienojumus, vienu neironu pieslēdzot plaukstas locītavu pagarinošajam muskulim, bet otru - plaukstas locītavu izliekošajam muskulim.

Bet Endrjū Švarcs , neirobioloģijas profesors Pitsburgas Universitāte , ir skeptisks. Kustīga roka, saka Švarcs, ir ļoti sarežģīta mehāniska sistēma. Jebkurai sarežģītai rokas kustībai ir nepieciešams ne tikai liels skaits precīzi koordinētu muskuļu, kas darbojas vairākās sarežģītās locītavās, bet arī spēku izplatīšanās gar ekstremitāti. Ja jūsu mērķis ir radīt kustību, jums kaut kā jāaprēķina visu šo spēku ietekme uz roku, saka Švarcs. Tas nav tikai: “Aktivizējiet muskuļus, un roka iet, kur vēlaties.” Ir daudz matemātikas.

Saskaņā ar Vašingtonas Universitātes grupu, iespējams, ir iespējams apiet jautājumu par to, kā radīt sarežģītas kustības, savienojot vienu smadzeņu šūnu tieši ar noteiktu muguras smadzeņu reģionu. . Stimulējot vienu vietu muguras smadzenēs, bieži vien tiks aktivizēti 10 līdz 15 dažādi muskuļi precīzā līdzsvarā, saka Morics.

Papildus visiem viena neirona stratēģijas teorētiskajiem trūkumiem ir jāpārvar vairāki tehnoloģiski šķēršļi, pirms to varētu izmantot pacientiem. Elektrodu rādījumi no atsevišķas smadzeņu šūnas laika gaitā var pasliktināties, potenciāli iznīcinot novirzīto savienojumu. Rezultātā, saka Morics, jebkurai ilgtermiņa iestatīšanai būtu nepieciešama zināma atlaišanas pakāpe.

Viņš arī piebilst, ka ideālā gadījumā sistēma būtu pilnībā implantējama. Ikreiz, kad vadi izspiežas caur ādu, kā tas notika eksperimentos ar pērtiķiem, tie rada infekcijas un traucējumu risku. Grupa plāno risināt šo problēmu ar miniaturizētiem komponentiem un bezvadu tehnoloģiju.

Tā kā viņu pieejai ir nepieciešama salīdzinoši neliela skaitļošanas jauda, ​​saka Morics, mēs domājam, ka mēs varam būt soli tuvāk mazjaudas, pilnībā implantējamām sistēmām.

paslēpties