Neuroprotetyka: Odzyskiwanie od kontuzji przy użyciu siły umysłu

Neuroprotetyka, znana również jako interfejsy mózg-komputer, to urządzenia, które pomagają osobom z dysfunkcjami ruchowymi lub sensorycznymi odzyskać kontrolę nad zmysłami i ruchami, tworząc połączenie między mózgiem a komputerem. Innymi słowy, ta technologia pozwala ludziom poruszać się, słyszeć, widzieć i dotykać przy użyciu siły myśli. Jak działają neuroprotetyka? Przyjrzyjmy się pięciu przełomowym osiągnięciom w tej dziedzinie, aby zobaczyć, jak daleko zaszliśmy – i jak daleko możemy się posunąć – wykorzystując jedynie 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 ludzkiej czaszce, na powierzchni mózgu lub w tkance mózgu – które monitorują i mierzą aktywność mózgu, która pojawia się, gdy mózg „myśli”. Wzór tej aktywności mózgu jest następnie „tłumaczony” na kod lub algorytm, który jest „podawany” do komputera. Komputer z kolei przekształca kod w polecenia, które produkują ruch.

Neuroprotetyka są przydatne nie tylko dla osób, które nie mogą poruszać rękami i nogami; pomagają również osobom z wadami zmysłów. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) szacuje, że około 360 milionów ludzi na całym świecie cierpi na upośledzającą formę ubytku słuchu, a kolejne 39 milionów osób jest niewidomych.

Dla niektórych z tych osób neuroprotetyczne, takie jak implanty ślimakowe i bioniczne oczy, przywróciły im zmysły, a w niektórych przypadkach umożliwiły im usłyszenie lub zobaczenie po raz pierwszy.

Tutaj dokonujemy przeglądu pięciu najważniejszych osiągnięć w dziedzinie technologii neuroprostetycznej, sprawdzając, jak działają, dlaczego są pomocne i jak niektóre z nich rozwiną się w przyszłości.

Implant uszny

Prawdopodobnie „najstarsze” urządzenie neuroprostetyczne, implanty ślimakowe (lub implanty ucha) istnieją od kilku dekad i są uosobieniem skutecznych neuroprotetek.

Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) zaakceptowała implanty ślimakowe już w 1980 r., A do 2012 r. Prawie 60 000 osób z USA miało 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 odbierane jako dźwięki, chociaż słuchanie przez implant uszny jest zupełnie inne niż regularne słyszenie.

Mimo, że implanty ślimakowe są niedoskonałe, pozwalają użytkownikom odróżnić mowę osobiście lub przez telefon, a media obfitują w emocjonalne relacje ludzi, którzy po raz pierwszy mogli usłyszeć siebie używając tego sensorycznego urządzenia neuroprostetycznego.

Tutaj możesz obejrzeć film przedstawiający 29-letnią kobietę, która po raz pierwszy słyszy za pomocą implantu ślimakowego:

Implant oka

Pierwsza sztuczna siatkówka – zwana Argus II – jest w całości wykonana z elektrod wszczepionych do oka i została zatwierdzona przez FDA w lutym 2013 r. W podobny sposób, jak implant ślimakowy, ta neuroprotezy 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 mózgu.

Podczas gdy Argus II nie przywraca całkowicie obrazu, umożliwia on pacjentom z pigmentem siatkówki – stanem, który niszczy fotoreceptory oczu – w celu odróżnienia konturów i kształtów, co, jak podaje wielu pacjentów, ma znaczny 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 wykrywaniem koloru, jak również nad poprawą rozdzielczość urządzenia.

Neuroprotetyka dla osób z SCI

Szacuje się, że w USA żyje około 350 000 osób, a 45% osób, które miały SCI od 2010 r., Uważa się za tetraplegów – to znaczy sparaliżowanych od szyi w dół.

Niedawno donieśliśmy o przełomowym eksperymencie z udziałem jednego pacjenta, który umożliwił człowiekowi z czteropłatem poruszanie ramionami za pomocą czystej mocy swoich myśli.

Bill Kochevar miał elektrody przymocowane chirurgicznie do mózgu. Po treningu BCI, aby „nauczyć się” aktywności mózgu, która pasowała do ruchów, o których myślał, ta aktywność została przekształcona w impulsy elektryczne, które następnie były przesyłane z powrotem do elektrod w mózgu.

W ten sam sposób, w jaki implanty ślimakowe i wzrokowe omijają uszkodzony obszar, tak samo obszar BCI unika „zwarcia” między mózgiem a mięśniami pacjenta stworzonymi przez SCI.

Za pomocą tego neuroprotezy pacjent był w stanie z powodzeniem pić i samodzielnie się odżywiać. „To było niesamowite”, mówi Kochevar, „ponieważ myślałem o poruszeniu moim ramieniem i tak się stało”. Kochevar był pierwszym pacjentem na świecie, który przetestował urządzenie neuroprostetyczne, które obecnie jest dostępne tylko do celów badawczych.

Możesz dowiedzieć się więcej o tej neuroprostetyce z poniższego wideo:

Nie jest to jednak miejsce, w którym zatrzymują się neuroprotetyka SCI.The Courtine Lab – prowadzona przez neurobiologa Gregoire Courtine w Lozannie w Szwajcarii – niestrudzenie pracuje, aby pomóc rannym ludziom odzyskać kontrolę nad ich nogami. Ich wysiłki badawcze ze szczurami umożliwiły chodzenie sparaliżowanym gryzoniom, osiągnięte dzięki użyciu sygnałów elektrycznych i pobudzeniu ich do stymulacji nerwów w odciętym rdzeniu kręgowym.

„Wierzymy, że ta technologia pewnego dnia znacząco poprawi jakość życia osób z zaburzeniami neurologicznymi” – mówi Silvestro Micera, współautor eksperymentu i neuroinżynierii w Courtine Labs.

Niedawno prof. Courtine poprowadziła także międzynarodowy zespół naukowców, którzy z powodzeniem stworzyli dobrowolny ruch nóg u małp rezus. Był to pierwszy raz, kiedy zastosowano neuroprotezy w celu umożliwienia chodzenia u naczelnych nie będących ludźmi.

Jednakże „może potrwać kilka lat, zanim wszystkie składniki tej interwencji będą mogły być testowane na ludziach” – mówi profesor Courtine.

Ramię, które czuje

Silvestro Micera prowadził także inne projekty dotyczące neuroprotetyki, wśród których jest ramię, które „czuje”. W 2014 r. Odnotowano pierwszą sztuczną rękę wzmocnioną sensorami.

Naukowcy zmierzyli napięcie w ścięgnach sztucznej ręki, która kontroluje ruchy chwytające i przekształciła je w prąd elektryczny. Z kolei użycie algorytmu przekładało się na impulsy, które następnie wysyłano do nerwów w ramieniu, dając 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: Nathan Copeland.

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, które czuło go, jakby należało do jego sparaliżowanej dłoni.

Podczas gdy z zawiązanymi oczami Copeland był w stanie zidentyfikować, który palec na jego protezie był dotykany. Wrażenia, jakie odczuwał, różniły się intensywnością i odczuwane jako różniące się naciskiem.

Neuroprotetyka dla neuronów?

Widzieliśmy, że kontrolowana mózgowo proteza może 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, torując drogę mózgowi dla neuroprotetyki.

Poprzez zastosowanie geometrii nanoprzewodów na płytce półprzewodnikowej, dr Vini Gautam, z Research School of Engineering ANU i jego współpracownicy wymyślili 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 materiałów a neuronauką.”

Neuroprotetyka dla mózgu może kiedyś pomóc pacjentom, którzy doświadczyli udaru mózgu lub którzy żyją z chorobami neurodegeneracyjnymi, aby odzyskać neurologicznie.

Każdego roku w Stanach Zjednoczonych prawie 800 000 osób miało udar mózgu, z czego zginęło ponad 130 000 osób. Choroby neurodegeneracyjne są również szeroko rozpowszechnione: 5 milionów dorosłych w USA szacuje się na chorobę Alzheimera, 1 milion na chorobę Parkinsona i 400 000 na stwardnienie rozsiane.

Poznaj najnowsze przedsięwzięcie Facebooka: rozwój BCI.