Ученые использовали беспроводной «мозговой спинальный интерфейс» для обхода травм спинного мозга в паре макак-резусов, восстанавливающих умышленное хождение к временно парализованной ноге.

Исследователи говорят, что это первый случай, когда нейронные протезы использовались для восстановления движения ходьбы непосредственно к ногам нечеловеческих приматов.

«В разработанной нами системе используются сигналы, зарегистрированные из моторной коры головного мозга, для инициирования координированной электрической стимуляции нервов в позвоночнике, которые отвечают за локомоцию», - говорит Дэвид Бортон, доцент кафедры инженерии в Университете Брауна и один из ведущих авторов исследования. «Когда система включалась, у животных в нашем кабинете была почти нормальная локомоция».

Эта работа может помочь в разработке аналогичной системы, предназначенной для людей, перенесших травмы спинного мозга.

Восстановить связь

«Есть данные, свидетельствующие о том, что контролируемая мозгом система стимуляции позвоночника может улучшить реабилитацию после травмы спинного мозга», - говорит Бортон. «Это шаг к дальнейшему тестированию этой возможности».

Grégoire Courtine, профессор Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL), который возглавил сотрудничество, начал клинические испытания в Швейцарии, чтобы протестировать часть позвоночника. Он предупреждает: «впереди впереди много проблем, и это может занять несколько лет, прежде чем все компоненты этого вмешательства могут быть опробованы людьми».

Ходьба возможна из-за сложного взаимодействия нейронов головного и спинного мозга. Электрические сигналы, исходящие из моторной коры головного мозга, проходят вниз в поясничную область в нижней части спинного мозга, где они активируют моторные нейроны, которые координируют движение мышц, ответственных за разгибание и сгибание ноги.

Травма верхнего отдела позвоночника может обрезать связь между мозгом и нижним спинным мозгом. Как моторная кора, так и спинальные нейроны могут быть полностью функциональными, но они не могут координировать свою деятельность. Цель исследования состояла в том, чтобы восстановить некоторые из этих сообщений.

В мозговом спинальном интерфейсе используется матрица электродов с размерами таблеток, имплантированная в мозг для регистрации сигналов от моторной коры. Сенсорная технология была разработана частично для исследования на людях благодаря сотрудничеству BrainGate, исследовательской группе, в которую входят Браун, Университет Западного Резерва, Университет штата Массачусетс, Медицинский центр Провиденс В.А. и Стэнфордский университет.

Эта технология используется в текущих экспериментальных клинических испытаниях и ранее использовалась в Исследование под руководством Brown neuroengineer Leigh Hochberg, в котором люди с тетраплегией могли управлять роботизированной рукой просто, думая о движении своей собственной руки.

Беспроводной нейросенсор, разработанный в лаборатории нейроинжиниринга профессора Брауна Арто Нурмикко командой, которая включала Бортона, посылает сигналы, собранные чипом головного мозга, беспроводным способом на компьютер, который их декодирует и отправляет по беспроводной связи обратно в электрический спинальный стимулятор, имплантированный в поясничный позвоночника, ниже области травмы. Эта электрическая стимуляция, передаваемая в образцах, координируемых декодированным мозгом, сигнализирует о спинномозговых нервах, которые контролируют локомоцию.

Чтобы откалибровать декодирование сигналов мозга, исследователи имплантировали датчик мозга и беспроводной передатчик в здоровые макаки. Сигналы, передаваемые датчиком, затем могут отображаться на движениях животных. Они показали, что декодер смог точно предсказать состояния мозга, связанные с расширением и сгибанием мышц ног.

Беспроводная связь

Бортон говорит, что способность передавать сигналы мозга беспроводно имеет решающее значение для этой работы. Проводные системы зондирования мозга ограничивают свободу передвижения, что в свою очередь ограничивает информацию, которую исследователи могут собирать о локомоции.

«Выполнение этой беспроводной связи позволяет нам отображать нейронную активность в нормальных условиях и во время естественного поведения», - говорит Бортон. «Если мы действительно стремимся к нейропротезиям, которые когда-нибудь могут быть развернуты, чтобы помочь пациентам людей во время повседневной жизни, такие непривязанные технологии записи будут иметь решающее значение».

Для текущей работы, опубликованной в природа, Исследователи объединили свое понимание того, как сигналы мозга влияют на локомоцию со спинальными картами, разработанную лабораторией Кортине в EPFL, которая идентифицировала нейронные горячие точки в позвоночнике, ответственные за локомоторный контроль. Это позволило команде идентифицировать нейронные цепи, которые должны стимулироваться спинальным имплантатом.

С помощью этих частей на месте исследователи затем протестировали всю систему на двух макаках с поражениями, которые охватывали половину спинного мозга в их грудном отделе позвоночника. По словам исследователей, макаки с таким типом травм обычно восстанавливают функциональный контроль пораженной ноги в течение месяца или около того. Команда проверила свою систему в течение нескольких недель после травмы, когда по-прежнему не было волевого контроля над пораженной ногой.

Полученные данные показывают, что при включенной системе животные начали спонтанно двигать ногами во время ходьбы по беговой дорожке. Кинематические сравнения со здоровым контролем показали, что пораженные макаки с помощью контролируемой мозгом стимуляции способны производить почти нормальные локомоторные узоры.

Хотя демонстрация того, что система работает в нечеловеческом примате, является важным шагом, исследователи подчеркнули, что для начала тестирования системы у людей необходимо сделать гораздо больше работы. Они также отметили несколько ограничений в исследовании.

Например, в то время как система, используемая в этом исследовании, успешно передавала сигналы от мозга к позвоночнику, у него отсутствует способность возвращать сенсорную информацию в мозг. Команда также не смогла проверить, какое давление животные могли применить к пораженной ноге. Хотя было ясно, что конечность несет определенный вес, из этой работы было неясно, насколько.

«В полном трансляционном исследовании мы хотели бы сделать больше количественных данных о том, насколько сбалансировано животное во время ходьбы и измерять силы, которые они могут применять», - говорит Бортон.

Несмотря на ограничения, исследование создает основу для будущих исследований у приматов и, в какой-то момент, потенциально в качестве реабилитационной помощи людям.

«В нейробиологии есть поговорка о том, что схемы, которые объединяют провод вместе, - говорит Бортон. «Идея здесь состоит в том, что, объединяя мозг и спинной мозг вместе, мы можем улучшить рост цепей во время реабилитации. Это одна из основных целей этой работы и цель этой области в целом ».

Финансирование поступило из Седьмой рамочной программы Европейского сообщества, стартового гранта Международного фонда исследований в области параплегии Европейского исследовательского совета, стипендии Марии Кюри в Женеве, стипендии Марии Кюри COFUND EPFL, стипендии Medtronic Morton Cure Paralysis Fund, NanoTera.ch Программа, Национальный центр компетенции в исследованиях в области робототехники, программа Sinergia, китайско-швейцарское научно-техническое сотрудничество и Швейцарский национальный научный фонд.

Источник: Университет Брауна

{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}

Похожие книги:

at Внутренний рынок самовыражения и Amazon