Paralisi e chirurgia di bypass cerebrale
Sommario:
- Decodificare i segnali cerebrali
- Come funziona la tecnologia
- Interfacce cervello-computer
- Ottimismo per il futuro
Le scoperte scientifiche nella tecnologia dell'interfaccia cervello-computer possono offrire nuove speranze per superare la paralisi.
Nell'ultima avanzata, un uomo con la tetraplegia che era stata paralizzata otto anni fa, riguadagnò il movimento funzionale del suo braccio.
Pubblicità PubblicitàSi è nutrito con la sua mano usando questa tecnologia, una prima nella storia della medicina.
I ricercatori della Case Western Reserve University in Ohio hanno annunciato le loro scoperte il 28 marzo nella rivista medica britannica The Lancet.
L'annuncio di Case Western è stato fatto il giorno dopo che l'imprenditore Elon Musk (della compagnia elettrica Tesla e compagnia spaziale SpaceX) ha rivelato piani per sviluppare una tecnologia simile.
PubblicitàIl "pizzo neurale" del muschio, secondo un rapporto del Wall Street Journal, collegherebbe il cervello di una persona direttamente con un computer.
Nel frattempo, gli scienziati della Ohio State University (OSU) stanno lavorando con un paziente con paralisi e hanno sviluppato una tecnologia simile a quella di Case Western.
Il team OSU sta sviluppando la tecnologia con gli scienziati del Battelle Memorial Institute, un'organizzazione senza scopo di lucro in Ohio che crea dispositivi medici.
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Decodificare i segnali cerebrali
Gli scienziati del caso Western hanno lavorato con Bill Kochevar, un 53enne con la trio-poligonale ferita in un incidente in bicicletta.
I ricercatori hanno impiantato una neuroprotesi che decodifica i suoi segnali cerebrali e li ha trasmessi a sensori nel suo braccio, il che lo ha aiutato a riprendere movimento nella mano e nel braccio.
Robert Kirsch, PhD, presidente del Dipartimento Western Case of Biomedical Engineering, direttore esecutivo del Centro di stimolazione elettrica funzionale (FES) dell'università, è autore senior della ricerca.
Pubblicità PubblicitàHa definito l'innovazione un passo importante.
"Abbiamo dimostrato la fattibilità di registrare le intenzioni dei movimenti di qualcuno e poi fare il proprio braccio per eseguire questi movimenti", ha affermato.
Pensa solo a muovere il braccio e il braccio si muove come vuole. Bolu Ajiboye, Case Western Reserve UniversityIl collega di Kirsch, Bolu Ajiboye, PhD, assistente professore di ingegneria biomedica presso Case Western, e ricercatore associato presso il centro medico amministrativo di Cleveland Veterans di Louis Stokes, ha spiegato come funziona la tecnologia.
Pubblicità"Il normale movimento in persone integre si verifica perché la corteccia motoria genera un comando di movimento, rappresentato come segnali elettrici, che passa attraverso il midollo spinale e quindi attiva i muscoli appropriati", ha detto Ajiboye a Healthline.
Una lesione del midollo spinale impedisce a tali impulsi elettrici di raggiungere i muscoli, ha spiegato, ma il comando di movimento originale è ancora codificato correttamente nei modelli di attività elettrica del cervello.
PubblicitàAdvertisement"Il nostro sistema registra il pattern dell'attività elettrica attraverso l'impianto cerebrale e utilizza algoritmi matematici per decodificarlo in un comando di movimento che è destinato dalla persona con paralisi. Questo comando viene convertito in un modello di stimolazione elettrica che viene applicato al giusto gruppo di muscoli per produrre il movimento. Per il signor Kochevar, il processo è senza soluzione di continuità e invisibile. Nelle sue parole, dice che pensa solo a muovere il braccio e il braccio si muove come vuole. "
Ajiboye ha anche indicato cosa questa nuova tecnologia non è.
La scienza ha tentato molte volte di "riparare" una colonna vertebrale danneggiata attraverso l'ingegneria tissutale e la ricrescita senza successo, ha detto.
Pubblicità"Ci piacerebbe che gli scienziati trovassero un modo per ricrescere e ricollegare il midollo spinale usando terapie cellulari", ha detto Ajiboye. "Tuttavia, il nostro approccio attuale utilizza la tecnologia per aggirare la lesione spinale per ottenere i segnali di movimento dal cervello alla giusta serie di muscoli per produrre il movimento. "
Altre tecnologie che aiutano le persone con paralisi a riprendere la funzione sono in genere limitate a dispositivi che possono controllare usando le loro voci e movimenti oculari, o muovendo le loro teste.
Pubblicità PubblicitàTuttavia, nessuno di questi dispositivi consente il controllo del proprio arto.
"Il nostro dispositivo consente all'utente di muovere il proprio arto semplicemente pensando", ha spiegato Ajiboye. "Voglio chiarire che il nostro sistema sta aggirando le lesioni spinali, piuttosto che invertire la paralisi. Senza il sistema, l'utente sarebbe comunque paralizzato e non ci sono prove che suggeriscano che l'uso di questo sistema alla fine porterebbe alla ricrescita spinale, o reintrodurrebbe la capacità di muoversi senza il sistema. "
Ulteriori informazioni: L'impianto aiuta le persone con paralisi a riacquistare l'uso degli arti"
Come funziona la tecnologia
Perché la tecnologia Case Western è unica?
Il sistema è il primo ad utilizzare sia un'interfaccia computer con impianto cerebrale con un sistema FES per attivare elettricamente i muscoli paralizzati.
Prima di questo, gli scienziati hanno trattato un numero di persone con paralisi ma con un solo approccio o l'altro.
Kochevar è la prima persona a sperimentare questa tecnologia combinata.
Ajiboye ha detto che molti gruppi di ricerca hanno utilizzato il sistema di interfaccia cerebrale con gli umani e con primati non umani. Entrambi i gruppi di test sono stati in grado di eseguire attività come lo spostamento di cursori sullo schermo di un computer o lo spostamento di bracci robotici.
"Il nostro centro FES negli ultimi 25-30 anni ha impiantato sistemi FES in persone con lesioni del midollo spinale per ripristinare una serie di funzioni, tra cui piedi, piedi, respirazione e movimenti delle mani e delle braccia", ha detto.
Kochevar ha aderito al progetto di ricerca Case Western nel 2014. Ha ricevuto le sue protesi cerebrali nel dicembre di quell'anno.Nel 2015, Kirsch, Ajiboye e i loro colleghi hanno impiantato elettrodi nei muscoli del braccio e della mano.
Kochevar ha imparato ad attivare i suoi segnali cerebrali per controllare diversi dispositivi.
"Prima gli abbiamo fatto vedere un movimento del braccio virtuale sullo schermo di un computer, mentre lui immaginava simultaneamente di fare gli stessi movimenti con il suo stesso braccio", ha detto Ajiboye. "Questo ha generato modelli di attività neurale. Abbiamo quindi sviluppato un decodificatore neurale, un algoritmo matematico che correlava i modelli generati dell'attività neurale con gli aspetti dei movimenti del braccio virtuale. "
Successivamente, Kochevar controllò il braccio virtuale generando modelli di segnali cerebrali che furono poi interpretati dal decodificatore neurale, ha detto Ajiboye.
Kochevar si è allenato a spostare il braccio virtuale con precisione su obiettivi specificati nell'area di lavoro. Gli scienziati hanno quantificato il suo controllo cerebrale del braccio virtuale e hanno scoperto di essere in grado di controllarlo quasi immediatamente, ha detto Ajiboye. Inoltre, Kochevar ha conseguito relativamente rapidamente una percentuale di successo del 95-100 percento della precisione del bersaglio.
Infine, gli scienziati hanno fatto provare a Kochevar di muovere il braccio attraverso la stimolazione FES in un processo a due fasi.
"Abbiamo spostato manualmente il braccio (tramite stimolazione elettrica) e gli abbiamo chiesto di immaginare che avesse il controllo dei suoi movimenti del braccio", ha detto Ajiboye. "Ancora una volta, questo ha aiutato a generare i modelli desiderati di attività neurale, che abbiamo usato per costruire e perfezionare il nostro decoder neurale. Gli abbiamo fatto usare il decodificatore neurale finale per comandare i movimenti del suo stesso braccio, rianimati attraverso la stimolazione elettrica. Era in grado di muovere all'istante il braccio come desiderava, e si è progressivamente migliorato con un uso maggiore. "
In un video pubblicato da Case Western, Kochevar ha dichiarato:" È stato fantastico perché ho pensato di muovere il braccio e così è stato. Potrei spostarlo dentro e fuori, su e giù. "
Poiché Kochevar aveva una paralisi a lungo termine, i suoi muscoli erano inizialmente deboli e facilmente affaticati. Ajiboye ha detto.
Per costruire la sua forza muscolare e resistenza alla fatica, la squadra ha "esercitato" i suoi muscoli per diverse ore al giorno usando la stimolazione elettrica senza il sistema di interfaccia cerebrale.
Nel corso del tempo, questo esercizio stimolato elettricamente ha aumentato la sua forza muscolare e la sua capacità di utilizzare il sistema più a lungo senza affaticare.
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Interfacce cervello-computer
Come le innovazioni occidentali del caso, l'innovazione dell'Ohio State ha aiutato un uomo con la quadriplegia a usare la sua mano dopo anni di paralisi.
Il gruppo di ricerca è stato guidato dal Dr. Ali Rezai, un professore di neurochirurgia e neuroscienze e direttore del Centro di neuromodulazione presso il Wexner Medical Center dell'università.
Il paziente, Ian Burkhart, ha subito una grave lesione del midollo spinale all'età di 19 anni durante un incidente subacqueo. Lo lasciava con poca funzione e movimento nelle sue spalle e bicipiti, e nessun movimento dai suoi gomiti alle sue mani.
"Il nostro team ha sviluppato una tecnologia di interfaccia cervello-computer che aggira il midollo spinale danneggiato, consentendo a un paziente come Ian con lesione del midollo spinale e quadriplegia e nessuna funzione delle sue mani per cinque anni di utilizzare semplicemente i suoi pensieri per spostare il suo mano senza vita per venire in vita e sotto il suo controllo volitivo ", ha detto Rezai a Healthline.
Nell'aprile 2014, Rezai ha impiantato un microchip delle dimensioni della testa di una gomma da matita sulla superficie della corteccia motoria del cervello di Burkhart. I 96 microelettrodi del chip hanno registrato il licenziamento dei suoi singoli neuroni.
Rezai ei suoi colleghi hanno sviluppato il sistema di bypass neurale, che registra e analizza l'attività cerebrale che si verifica quando Burkhart intende muovere la mano.
Dopo aver scavalcato il midollo spinale danneggiato e danneggiato la connessione dal cervello ai nervi muscolari, il sistema collega il segnale cerebrale di Burkhart con una manica esterna, ha detto Rezai.
Ciò consente a Burkhart di muovere la mano.
"L'impianto cerebrale registra e interpreta i segnali cerebrali legati ai pensieri e li collega a un indumento esterno indossabile per controllare i suoi muscoli", ha spiegato Rezai. "È un sistema di stimolazione neuromuscolare. I pensieri associati all'intenzione di muoversi, ad esempio l'apertura della mano, sono collegati e collegati in millisecondi al movimento effettivo della mano funzionale. "
La prima generazione di indumenti indossabili esterni e sistema di stimolazione, ha detto, ha fino a 160 elettrodi stimolanti" costituiti da idrogel super flessibile - una serie di elettrodi ad alta definizione e ad alta risoluzione conformi a forme diverse e contorni come l'avambraccio. "
Il capo può essere modellato in una manica, un guanto, un calzino, pantaloni, cintura, fascia per la testa e altri fattori di forma.
"È necessaria una notevole complessità e coordinamento per consentire ai movimenti in modo regolare di raccogliere un agitatore per mescolare il caffè, usare uno spazzolino da denti o giocare a un videogioco", ha detto. "Questo algoritmo di apprendimento automatico sta migliorando e perfezionando i movimenti da movimenti ruvidi e instabili, a movimenti più fluidi e fluidi. "
Per saperne di più: Tecnologia bionica che aiuta a ripristinare il controllo muscolare"
Ottimismo per il futuro
I neuroscienziati che osservano le recenti scoperte sono impressionati e ottimisti.
Joseph O'Doherty, PhD, un postdoctoral fellow presso il Philip Sabes Lab della University of California, San Francisco, Center for Integrative Neuroscience, definisce questi recenti progressi nella tecnologia dell'interfaccia cervello-computer "innovativo. "
" Questa ricerca mostra che gli arti paralizzati possono essere rianimati - solo dal pensiero - per ripristinare i movimenti coordinati e multi-articolari importanti per la vita quotidiana: raggiungere, afferrare, mangiare e bere ", ha detto a Healthline. "È una dimostrazione di prova di principio che solleva la possibilità che simili terapie possano presto trovare l'adozione al di fuori della clinica. "
Gli scienziati hanno lavorato su interfacce cervello-computer, in una forma o nell'altra, dalla fine degli anni '60, ha detto. Il campo è progredito dal controllo dei cursori dei computer, alle sedie a rotelle mobili e ai bracci robotici, per ristabilire il controllo volontario sugli arti.
"Le lesioni del midollo spinale spesso compromettono il senso del tatto e la capacità di movimento", ha detto O'Doherty. "Ripristinare le sensazioni degli arti sarà un elemento cruciale delle neuroprotesi che consentono movimenti fluidi e naturali. "
" Ci sono ancora molte sfide da superare ", ha aggiunto," ma questo nuovo risultato, combinato con molti progressi correlati in tecnologia wireless, tecnologia delle batterie, scienza dei materiali e altro, mi rende molto ottimista sui dispositivi neuroprotesici per il ripristino movimento e sensazione diventano ampiamente disponibili. "
Queste innovazioni offrono speranza e il potenziale per il ripristino del movimento e una maggiore indipendenza per molti pazienti che vivono con paralisi o altre disabilità fisiche. Dott. Ali Rezai, The Wexner Medical Center dell'Ohio State UniversityRezai ha detto che ogni anno 12.000 persone negli Stati Uniti sostengono una lesione del midollo spinale e 300.000 vivono con tali lesioni da incidenti automobilistici, traumi, infortuni sportivi e cade
Meno dell'1% raggiunge il pieno recupero e la maggior parte ha un deficit che si basa su varie tecnologie assistive e adattive per fornire un limitato grado di indipendenza.
"Queste innovazioni offrono speranza e il potenziale per il ripristino del movimento e una maggiore indipendenza a molti pazienti che vivono con paralisi o altre disabilità fisiche", ha detto Rezai. "Oltre ai miglioramenti motori, questa tecnologia ha implicazioni potenziali per chi ha deficit sensoriali, dolore cronico, linguaggio, ictus, cognitive, ansia e implicazioni comportamentali. "
Rezai ha detto che è fiducioso che presto quelli con disabilità fisiche, sensoriali, cognitive e altre avranno l'opportunità di essere più funzionali, avere più indipendenza e una migliore qualità della vita.
"Il nostro obiettivo è rendere questa tecnologia meno invasiva, ridurre le dimensioni del dispositivo, miniaturizzare i sensori, rendere il sistema wireless e fornire il sistema a casa invece che in laboratorio", ha affermato.
Il team di Case Western sta anche lavorando per far avanzare tecnologicamente il suo sistema.
"Abbiamo bisogno di sviluppare un'interfaccia cervello wireless per sostituire il cavo che collega l'utente a una serie di computer di registrazione", ha detto Ajiboye. "Abbiamo bisogno di migliorare l'impianto cerebrale per la longevità, aumentare il numero di neuroni da cui possiamo registrare e sviluppare un'interfaccia cerebrale completamente impiantata e un sistema di stimolazione elettrica funzionale. “
