Neuroprotetyka, znana również jako interfejsy mózg-komputer, to zaawansowane urządzenia, które wspierają osoby z dysfunkcjami ruchowymi lub sensorycznymi w odzyskiwaniu kontroli nad zmysłami i ruchami, tworząc bezpośrednie połączenie między mózgiem a komputerem. Technologia ta umożliwia ludziom poruszanie się, słyszenie, widzenie i dotykanie za pomocą siły myśli. Jak działają neuroprotetyka? Przyjrzyjmy się pięciu przełomowym osiągnięciom w tej dziedzinie, aby zrozumieć, jak daleko zaszliśmy i jakie możliwości przed nami stoją, wykorzystując moc naszych umysłów.
Każdego roku setki tysięcy ludzi na całym świecie tracą kontrolę nad kończynami w wyniku urazu rdzenia kręgowego. W Stanach Zjednoczonych aż 347 000 osób żyje z uszkodzeniem rdzenia kręgowego (SCI), a prawie połowa z tych osób nie może się ruszyć od szyi w dół.
Dla tych osób urządzenia neuroprostetyczne mogą oferować bardzo potrzebną nadzieję.
Interfejsy mózg-komputer (BCI) zazwyczaj obejmują elektrody umieszczone na czaszce, na powierzchni mózgu lub w tkance mózgowej, które monitorują i analizują aktywność mózgu, gdy ten «myśli». Wzór tej aktywności jest następnie «tłumaczony» na kod lub algorytm, który jest «podawany» do komputera. Komputer przekształca ten kod w polecenia, które generują ruch.
Neuroprotetyka są przydatne nie tylko dla osób, które nie mogą poruszać rękami i nogami; wspierają także osoby z wadami zmysłów. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) szacuje, że około 360 milionów ludzi na całym świecie cierpi na poważne formy utraty słuchu, a kolejne 39 milionów jest niewidomych.
Dla niektórych z tych osób neuroprotetyczne, takie jak implanty ślimakowe i bioniczne oczy, przywróciły zmysły, a w niektórych przypadkach umożliwiły im usłyszenie lub zobaczenie po raz pierwszy.
Dzisiaj przyjrzymy się pięciu kluczowym osiągnięciom w dziedzinie technologii neuroprostetycznej, badając, jak działają te urządzenia, dlaczego są pomocne i jak mogą się rozwijać w przyszłości.
Implant uszny
Prawdopodobnie «najstarsze» urządzenie neuroprostetyczne, implanty ślimakowe (lub implanty ucha), istnieją od kilku dekad i są przykładem skutecznych neuroprotez.
Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) zaakceptowała implanty ślimakowe już w 1980 r., a do 2012 r. prawie 60 000 osób w USA miało taki implant. Na całym świecie wszczepiono urządzenie ponad 320 000 osób.
Implant ślimakowy działa poprzez omijanie uszkodzonych części ucha i stymulowanie nerwu słuchowego sygnałami uzyskanymi za pomocą elektrod. Sygnały przekazywane przez nerw słuchowy do mózgu są interpretowane jako dźwięki, chociaż słuchanie przez implant jest zupełnie inne od naturalnego słyszenia.
Mimo że implanty ślimakowe mają swoje ograniczenia, pozwalają użytkownikom odróżniać mowę na żywo oraz przez telefon, a media obfitują w emocjonalne relacje osób, które po raz pierwszy mogły usłyszeć siebie korzystając z tego sensorycznego urządzenia neuroprostetycznego.
Zobacz tutaj film przedstawiający 29-letnią kobietę, która po raz pierwszy słyszy dzięki implantowi ślimakowemu:
Implant oka
Pierwsza sztuczna siatkówka – zwana Argus II – w całości wykonana jest z elektrod wszczepionych do oka i została zatwierdzona przez FDA w lutym 2013 r. Podobnie jak implant ślimakowy, ta neuroproteza omija uszkodzoną część siatkówki i przekazuje sygnały uchwycone przez dołączoną kamerę do mózgu.
Odbywa się to poprzez przekształcenie obrazów w jasne i ciemne piksele, które zamieniają się w sygnały elektryczne. Sygnały elektryczne są następnie przesyłane do elektrod, które z kolei wysyłają sygnał do nerwu wzrokowego w mózgu.
Chociaż Argus II nie przywraca pełnego obrazu, umożliwia pacjentom z pigmentem siatkówki – stanem, który niszczy fotoreceptory oczu – rozróżnienie konturów i kształtów, co, jak podaje wielu pacjentów, ma znaczący wpływ na ich życie.
Retinopatia barwnikowa jest chorobą neurodegeneracyjną, która dotyka około 100 000 osób w Stanach Zjednoczonych. Od czasu jej zatwierdzenia ponad 200 pacjentów z retinitis pigmentosa miało implanty Argus II, a firma, która je zaprojektowała, pracuje obecnie nad poprawą detekcji kolorów oraz rozdzielczości urządzenia.
Neuroprotetyka dla osób z SCI
Szacuje się, że w USA żyje około 350 000 osób, a 45% z nich, które miały SCI od 2010 r., klasyfikuje się jako tetraplegików – to znaczy sparaliżowanych od szyi w dół.
Niedawno donieśliśmy o przełomowym eksperymencie z udziałem jednego pacjenta, który umożliwił mu ruch ramionami przy użyciu czystej mocy myśli.
Bill Kochevar miał elektrody przymocowane chirurgicznie do mózgu. Po przeszkoleniu BCI, aby «nauczyć się» aktywności mózgu odpowiadającej ruchom, o których myślał, ta aktywność została przekształcona w impulsy elektryczne, które następnie były przesyłane z powrotem do elektrod w mózgu.
W podobny sposób, w jaki implanty ślimakowe i wzrokowe omijają uszkodzone obszary, tak samo obszar BCI unika «zwarcia» między mózgiem a mięśniami pacjenta, które zostały uszkodzone przez SCI.
Dzięki tej neuroprotezie pacjent był w stanie z powodzeniem pić i samodzielnie się odżywiać. «To było niesamowite», mówi Kochevar, «ponieważ myślałem o poruszeniu moim ramieniem i to się działo». Kochevar był pierwszym pacjentem na świecie, który przetestował neuroprostetyczne urządzenie, które obecnie jest dostępne tylko do celów badawczych.
Możesz dowiedzieć się więcej o tej neuroprostetyce z poniższego wideo:
To jednak nie koniec możliwości neuroprotez SCI. Laboratorium Courtine – prowadzone przez neurobiologa Gregoire Courtine w Lozannie w Szwajcarii – niestrudzenie pracuje nad tym, aby pomóc osobom z urazami odzyskać kontrolę nad ich nogami. Ich badania ze szczurami umożliwiły tym sparaliżowanym gryzoniom chodzenie, osiągnięte dzięki zastosowaniu sygnałów elektrycznych i stymulacji nerwów w uszkodzonym rdzeniu kręgowym.
«Wierzymy, że ta technologia pewnego dnia znacząco poprawi jakość życia osób z zaburzeniami neurologicznymi» – mówi Silvestro Micera, współautor eksperymentu i neuroinżynier z Courtine Labs.
Niedawno prof. Courtine poprowadził również międzynarodowy zespół naukowców, którzy z powodzeniem stworzyli dobrowolny ruch nóg u małp rezus. Było to pierwsze zastosowanie neuroprotez w celu umożliwienia chodzenia u naczelnych, które nie są ludźmi.
Jednakże, jak mówi profesor Courtine, «może minąć kilka lat, zanim wszystkie składniki tej interwencji będą mogły być testowane na ludziach».
Ramię, które czuje
Silvestro Micera prowadził także inne projekty związane z neuroprotetyką, w tym ramię, które «czuje». W 2014 r. odnotowano pierwszą sztuczną rękę wzmocnioną sensorami.
Naukowcy zmierzyli napięcie w ścięgnach sztucznej ręki, które kontrolowały ruchy chwytające i przekształcili je w prąd elektryczny. Użycie algorytmu przekładało się na impulsy, które następnie były przesyłane do nerwów w ramieniu, dając użytkownikowi wrażenie dotyku.
Od tego czasu protetyczne ramię, które «czuje», zostało jeszcze bardziej udoskonalone. Badacze z University of Pittsburgh i University of Pittsburgh Medical Center w Pensylwanii testowali BCI na pojedynczym pacjencie z porażeniem czterokończynowym: Nathanem Copelandem.
Naukowcy wszczepili osłonkę mikroelektrod poniżej powierzchni mózgu Copelanda – mianowicie w jego pierwotnej korze somatosensorycznej – i połączyli je z protezą, która była wyposażona w czujniki. Umożliwiło to pacjentowi odczucie dotyku, który wydawał się jakby należał do jego sparaliżowanej dłoni.
Z zawiązanymi oczami Copeland był w stanie zidentyfikować, który palec na jego protezie był dotykany. Wrażenia, jakie odczuwał, różniły się intensywnością i były odczuwane jako różne naciski.
Neuroprotetyka dla neuronów?
Widzieliśmy, że kontrolowane przez mózg protezy mogą przywrócić poczucie dotyku, słuchu, wzroku i ruchu pacjentów, ale czy moglibyśmy stworzyć protetykę dla samego mózgu?
Naukowcom z Australian National University (ANU) w Canberze udało się sztucznie wyhodować komórki mózgowe i stworzyć funkcjonalne obwody mózgowe, otwierając drogę dla neuroprotetyki w neurologii.
Dzięki zastosowaniu geometrii nanoprzewodów na płytce półprzewodnikowej, dr Vini Gautam z Research School of Engineering ANU i jego współpracownicy opracowali rusztowanie, które pozwala komórkom mózgowym rosnąć i łączyć się synaptycznie.
Lider grupy projektowej, dr Vincent Daria z John Curtin School of Medical Research w Australii, wyjaśnia sukces swoich badań: «Udało nam się przewidzieć połączenia między neuronami i wykazać ich funkcjonalność w synchronizowaniu neuronów, co może otworzyć nowy model badawczy, który buduje silniejsze połączenie między nanotechnologią a neuronauką.»
Neuroprotetyka dla mózgu może kiedyś pomóc pacjentom, którzy doświadczyli udaru mózgu lub cierpią na choroby neurodegeneracyjne, w odzyskaniu funkcji neurologicznych.
Każdego roku w Stanach Zjednoczonych prawie 800 000 osób doświadcza udaru mózgu, z czego ponad 130 000 umiera. Choroby neurodegeneracyjne są również szeroko rozpowszechnione: 5 milionów dorosłych w USA cierpi na chorobę Alzheimera, 1 milion na chorobę Parkinsona i 400 000 na stwardnienie rozsiane.
Poznaj najnowsze przedsięwzięcie Facebooka: rozwój BCI, które może zrewolucjonizować rehabilitację i przywracanie funkcji neurologicznych.
Aktualne badania i przyszłość neuroprostetyki
W najnowszych badaniach, które prowadzono w 2024 roku, zwrócono szczególną uwagę na zastosowanie sztucznej inteligencji w neuroprotezach. Badacze z Uniwersytetu Stanforda opracowali algorytmy, które mogą przewidywać ruchy pacjentów na podstawie ich aktywności mózgowej, co otwiera nowe możliwości w rehabilitacji.
Ponadto, nowe materiały biomimetyczne są badane pod kątem ich zastosowania w neuroprotezach, co może zwiększyć ich funkcjonalność i komfort użytkowania. Te innowacje mogą znacznie poprawić jakość życia osób z uszkodzeniami neurologicznymi, przywracając im niezależność i umożliwiając bardziej naturalne interakcje ze światem.
