Isang Implant ng Utak na Nagpapatakbo ng Paralyzed Monkeys

Ginamit ng mga siyentipiko ang isang wireless na "utak-utak interface" upang buksan ang pinsala sa spinal cord sa isang pares ng rhesus macaques, pagpapanumbalik ng sinadyang paglalakad kilusan sa isang pansamantalang paralisadong binti.

Sinasabi ng mga mananaliksik na ito ang unang pagkakataon na ang isang neural prostetik ay ginamit upang maibalik ang kilusan sa paglalakad nang direkta sa mga binti ng mga di-tao na primata.

"Ang sistema na binuo namin ay gumagamit ng mga senyas na naitala mula sa motor cortex ng utak upang ma-trigger ang coordinated electrical stimulation ng mga ugat sa gulugod na responsable para sa pag-iisip," sabi ni David Borton, katulong na propesor ng engineering sa Brown University at isang co-lead author ng pag-aaral. "Sa pamamagitan ng system na naka-on, ang mga hayop sa aming pag-aaral ay halos normal na pag-uugali."

Ang trabaho ay maaaring makatulong sa pagbuo ng isang katulad na sistema na dinisenyo para sa mga tao na may mga pinsala sa utak ng galugod.

Muling itatag ang komunikasyon

"May katibayan na iminumungkahi na ang isang sistema ng pagginhawa ng utak na kontrolado ng utak ay maaaring mapahusay ang rehabilitasyon pagkatapos ng pinsala sa utak ng gulugod," sabi ni Borton. "Ito ay isang hakbang patungo sa karagdagang pagsusuri ng posibilidad na iyon."

Si Grégoire Courtine, isang propesor sa Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL) na humantong sa pakikipagtulungan, ay nagsimula ng mga klinikal na pagsubok sa Switzerland upang subukan ang gulugod-bahagi ng interface. Nag-iingat siya: "Mayroong maraming mga hamon sa hinaharap at maaaring tumagal ng ilang taon bago ang lahat ng mga bahagi ng interbensyong ito ay maaaring masuri sa mga tao."


innerself subscribe graphic


Posible ang paglalakad dahil sa isang komplikadong pakikipag-ugnay sa mga neuron sa utak at utak ng gulugod. Ang mga signal ng kuryente na nagmula sa motor cortex ng utak ay naglalakbay pababa sa rehiyon ng lumbar sa ibabang gulugod, kung saan pinapagana nila ang mga motor neuron na nag-uugnay sa paggalaw ng mga kalamnan na responsable para sa pagpapalawak at pagbaluktot ng binti.

Ang pinsala sa itaas na gulugod ay maaaring magputol ng komunikasyon sa pagitan ng utak at mas mababang utak ng gulugod. Ang parehong cortex ng motor at ang mga neuron sa utak ay maaaring magamit nang ganap, ngunit hindi nila mai-coordinate ang kanilang aktibidad. Ang layunin ng pag-aaral ay muling itatag ang ilan sa komunikasyon na iyon.

Ang interface ng utak-utak ay gumagamit ng isang pill-sized na electrode array na itinatanim sa utak upang itala ang mga signal mula sa cortex ng motor. Ang teknolohiya ng sensor ay binuo para sa paggamit ng pananaliksik sa mga tao sa pamamagitan ng pakikipagtulungan ng BrainGate, isang koponan sa pananaliksik na kinabibilangan ng Brown, Case Western Reserve University, Massachusetts General Hospital, Providence VA Medical Center, at Stanford University.

Ang teknolohiya ay ginagamit sa patuloy na mga pagsubok sa clinical pilot, at ginamit dati sa isang pag-aralan pinangunahan ng Brown neuroengineer Leigh Hochberg kung saan ang mga taong may tetraplegia ay nakapagpatakbo ng isang robotic na braso sa pamamagitan lamang ng pag-iisip tungkol sa paggalaw ng kanilang sariling kamay.

Ang isang wireless neurosensor, na binuo sa neuroengineering lab ng propesor ng Brown na si Arto Nurmikko ng isang koponan na kasama si Borton, ay nagpapadala ng mga signal na natipon ng utak na chip wireless sa isang computer na nag-decode sa kanila at nagpadala sa kanila nang wireless pabalik sa isang electrical spinal stimulator na itinatanak sa lumbar gulugod, sa ibaba ng pinsala. Ang elektrikal na pagbibigay-sigla, na naihatid sa mga pattern na pinagsama-sama ng decoded utak, nagpapabatid sa mga nerbiyos ng gulugod na kumokontrol sa pag-iisip.

Upang i-calibrate ang pag-decode ng mga signal ng utak, pinanukala ng mga mananaliksik ang sensor ng utak at wireless transmitter sa malusog na macaque. Ang mga senyas na naipasa ng sensor ay maaaring ma-mapped sa mga kilusan ng mga hayop. Sila ay nagpakita na ang decoder ay able sa tumpak na hulaan ang mga estado utak na nauugnay sa extension at pagbaluktot ng mga kalamnan binti.

Ang wireless ay mahalaga

Ang kakayahang magpadala ng signal ng utak nang wireless ay kritikal sa gawaing ito, sabi ni Borton. Ang mga wired brain sensing system ay naglilimita ng kalayaan ng paggalaw, na kung saan ay naglilimita sa mga impormasyon na nakukuha ng mga mananaliksik tungkol sa pag-iisip.

"Ang paggawa ng wireless na ito ay nagbibigay-daan sa amin na i-map ang aktibidad ng neural sa normal na konteksto at sa panahon ng likas na pag-uugali," sabi ni Borton. "Kung tunay na layunin natin ang neuroprosthetics na maaaring magamit sa ibang araw upang tulungan ang mga pasyente ng tao sa panahon ng mga gawain ng pang-araw-araw na buhay, ang mga kritikal na teknolohiya ng pag-record ng untethered ay magiging kritikal."

Para sa kasalukuyang trabaho, inilathala sa Kalikasan, Pinagsama ng mga mananaliksik ang kanilang pagkaunawa kung paano naimpluwensiyahan ng mga senyales ng utak ang locomotion na may mga mapa ng spinal, na binuo ng lab ni Courtine sa EPFL, na kinilala ang mga neural hotspot sa gulugod na responsable para sa kontrol ng locomotor. Na pinagana ang koponan upang makilala ang mga neural circuits na dapat na stimulated ng panggulugod ipunla.

Sa pamamagitan ng mga piraso sa lugar, ang mga mananaliksik ay sinubukan ang buong sistema sa dalawang macaques na may mga sugat na spanned kalahati ng spinal cord sa kanilang thoracic spine. Ang mga Macau na may ganitong uri ng pinsala sa pangkalahatan ay nakabawi muli ang pagganap na kontrol sa apektadong binti sa loob ng isang buwan o kaya, sinasabi ng mga mananaliksik. Sinubukan ng koponan ang kanilang sistema sa mga linggo kasunod ng pinsala, kung wala pang boluntaryong kontrol sa apektadong binti.

Ipinakikita ng mga natuklasan na ang sistema ay naka-on, ang mga hayop ay nagsimulang spontaneously paglipat ng kanilang mga binti habang naglalakad sa isang gilingang pinepedalan. Nagpakita ang mga paghahambing sa kinematiko na may malusog na mga kontrol na ang mga lesyoned macaque, na may tulong sa pagpapasigla sa utak, ay nakagawa ng halos normal na mga pattern ng locomotor.

Habang nagpapakita na ang sistema ay gumagana sa isang di-pangkaraniwang unggoy ay isang mahalagang hakbang, sinabi ng mga mananaliksik na marami pang gawain ang dapat gawin upang simulan ang pagsubok ng sistema sa mga tao. Itinuro din nila ang ilang mga limitasyon sa pag-aaral.

Halimbawa, samantalang ang sistema na ginamit sa pag-aaral na ito ay matagumpay na na-relay ang mga signal mula sa utak hanggang sa gulugod, wala itong kakayahang bumalik sa pandama ng impormasyon sa utak. Ang koponan ay hindi rin makapag-test kung magkano ang presyon ng mga hayop na maipapataw sa apektadong binti. Habang maliwanag na ang paa ay nagdadala ng ilang timbang, hindi malinaw sa gawaing ito kung magkano.

"Sa isang buong pag-aaral ng translasyon, gusto naming gawin ang higit pang dami ng timbang sa kung paano balanse ang hayop habang naglalakad at sukatin ang pwersa na maaari nilang magamit," sabi ni Borton.

Sa kabila ng mga limitasyon, ang pananaliksik ay nagtatakda ng yugto para sa mga pag-aaral sa hinaharap sa mga primata at, sa isang punto, na posibleng bilang isang tulong sa rehabilitasyon sa mga tao.

"May isang kasabihan sa neuroscience na ang mga circuits na apoy magkasama magkasama," sabi ni Borton. "Ang ideya dito ay ang pagsasama-sama ng utak at ng utak ng gulugod, maaari nating mapahusay ang paglago ng mga circuits sa panahon ng rehabilitasyon. Iyon ang isa sa mga pangunahing layunin ng gawaing ito at isang layunin ng larangang ito sa pangkalahatan. "

Ang pagpopondo ay nagmula sa Ikapitong Framework Program ng European Community, ang International Foundation for Research in Paraplegia Simula sa Grant mula sa European Research Council, ang Wyss Center sa Geneva Marie Curie Fellowship, Marie Curie COFUND EPFL fellowships, Medtronic Morton Cure Paralysis Fund fellowship, NanoTera.ch Programa, Pambansang Center ng Kakayahan sa Pananaliksik sa Robotics Sinergia na programa, Sino-Swiss Science and Technology Cooperation, at ang Swiss National Science Foundation.

Source: Brown University

{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}

Mga Kaugnay na Libro:

at InnerSelf Market at Amazon