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Lähmung und Gehirn Bypass-Operation

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Anonim

Wissenschaftliche Durchbrüche in der Gehirn-Computer-Interface-Technologie könnten neue Hoffnung für die Überwindung von Lähmungen bieten.

Im letzten Vorstadium kam ein Mann mit Tetraplegie, der vor acht Jahren gelähmt war, wieder zu einer funktionellen Bewegung seines Armes.

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Er ernährte sich mit seiner Hand mit dieser Technologie, eine Premiere in der Geschichte der Medizin.

Forscher der Case Western Reserve Universität in Ohio gaben ihre Ergebnisse am 28. März im britischen medizinischen Journal The Lancet bekannt.

Die Ankündigung von Case Western erfolgte am Tag nachdem der Unternehmer Elon Musk (vom Tesla Elektroauto und Raketenhersteller SpaceX) Pläne zur Entwicklung einer ähnlichen Technologie bekannt gab.

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Musks "neurale Spitze" würde laut einem Bericht im Wall Street Journal das Gehirn einer Person direkt mit einem Computer verbinden.

Inzwischen arbeiten Wissenschaftler der Ohio State University (OSU) mit einem Patienten mit Lähmungen und haben eine Technologie entwickelt, die der von Case Western ähnelt.

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Das OSU-Team entwickelt die Technologie mit Wissenschaftlern des Battelle Memorial Institute, einer gemeinnützigen Organisation in Ohio, die Medizinprodukte herstellt.

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Gehirnsignale dekodieren

Die Wissenschaftler von Case Western haben mit Bill Kochevar gearbeitet, einem 53-jährigen Patienten mit Tetraplegie, der bei einem Fahrradunfall verletzt wurde.

Die Forscher implantierten eine Neuroprothese, die seine Gehirnsignale decodierte und sie an Sensoren in seinem Arm weitergab, was ihm half, wieder Bewegung in seiner Hand und seinem Arm zu gewinnen.

Robert Kirsch, PhD, Vorsitzender des Case Western Department of Biomedical Engineering, geschäftsführender Direktor des Zentrums für funktionelle elektrische Stimulation (FES) der Universität, ist leitender Autor der Forschung.

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Er nannte den Durchbruch einen großen Schritt.

"Wir haben gezeigt, dass es machbar ist, die Bewegungsabsicht einer Person zu erfassen und dann ihren eigenen Arm dazu zu bringen, diese Bewegungen auszuführen", sagte er.

Er denkt nur daran, seinen Arm zu bewegen und der Arm bewegt sich, wie er es beabsichtigt. Bolu Ajiboye, Case Western Reserve-Universität

Kirschs Kollege Bolu Ajiboye, PhD, Assistenzprofessor für Biomedizintechnik bei Case Western und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Louis Stokes Cleveland Veterans Administration Medical Center, erklärte, wie die Technologie funktioniert.

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"Normale Bewegung bei unbeeinträchtigten Personen tritt auf, weil der motorische Kortex einen Bewegungsbefehl erzeugt, der als elektrische Signale dargestellt wird, der durch das Rückenmark geleitet wird und dann die entsprechenden Muskeln aktiviert", sagte Ajiboye Healthline.

Eine Rückenmarksverletzung verhindert, dass diese elektrischen Impulse die Muskeln erreichen, erklärte er, aber der ursprüngliche Bewegungsbefehl ist immer noch richtig in den Mustern der elektrischen Aktivität des Gehirns kodiert.

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"Unser System zeichnet das Muster der elektrischen Aktivität durch das Gehirnimplantat auf und verwendet mathematische Algorithmen, um es in einen Bewegungsbefehl zu decodieren, der von der Person mit Lähmung beabsichtigt ist. Dieser Befehl wird in ein elektrisches Stimulationsmuster umgewandelt, das auf die rechte Muskelgruppe angewendet wird, um die Bewegung zu erzeugen. Für Herrn Kochevar ist der Prozess nahtlos und unsichtbar. In seinen Worten sagt er, dass er nur daran denkt, seinen Arm zu bewegen und der Arm bewegt sich, wie er es beabsichtigt. "

Ajiboye hat auch darauf hingewiesen, was diese neue Technologie nicht ist.

Die Wissenschaft hat viele Male versucht, eine beschädigte Wirbelsäule durch Tissue Engineering und Nachwachsen ohne Erfolg zu "reparieren", sagte er.

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"Wir würden es lieben, wenn Wissenschaftler mithilfe von Zelltherapien einen Weg finden würden, das Rückenmark wieder aufzubauen und zu verbinden", sagte Ajiboye. "Unser gegenwärtiger Ansatz verwendet jedoch Technologie, um die Wirbelsäulenverletzung zu umgehen, um die Bewegungssignale vom Gehirn an die richtigen Muskeln zu bekommen, um die Bewegung zu erzeugen. "

Andere Technologien, die Menschen mit Lähmungen helfen, ihre Funktion wiederzuerlangen, beschränken sich in der Regel auf Geräte, die sie mit ihren Stimmen und Augenbewegungen steuern können, oder indem sie ihre Köpfe bewegen.

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Keines dieser Geräte erlaubt jedoch die Kontrolle der eigenen Gliedmaßen.

"Unser Gerät erlaubt es einem Benutzer, seine eigene Gliedmaße zu bewegen, indem er nur nachdenkt", erklärte Ajiboye. "Ich möchte klarstellen, dass unser System die Wirbelsäulenverletzung umgeht, anstatt die Lähmung aufzuheben. Ohne das System wäre der Benutzer immer noch gelähmt, und es gibt keine Hinweise darauf, dass die Verwendung dieses Systems schließlich zum Nachwachsen der Wirbelsäule führen würde oder die Fähigkeit, sich ohne das System fortzubewegen, wieder einführen würde. "

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Wie die Technologie funktioniert

Warum ist die Case Western Technologie einzigartig?

Das System ist das erste, das sowohl eine Gehirn-Implantat-Computerschnittstelle mit einem FES-System verwendet, um gelähmte Muskeln elektrisch zu aktivieren.

Zuvor haben Wissenschaftler eine Reihe von Menschen mit Lähmungen behandelt, aber mit nur einer Herangehensweise oder der anderen.

Kochevar ist die erste Person, die diese kombinierte Technologie erlebt.

Ajiboye sagte, dass viele Forschungsgruppen das Gehirn-Interface-System mit Menschen und mit nicht-menschlichen Primaten benutzt hätten. Beide Testgruppen konnten Aufgaben wie das Bewegen von Cursorn auf einem Computerbildschirm oder das Bewegen von Roboterarmen ausführen.

"Unser FES-Zentrum hat in den letzten 25 bis 30 Jahren FES-Systeme bei Menschen mit Rückenmarksverletzungen implantiert, um eine Reihe von Funktionen wiederherzustellen, darunter Stehen, Gehen, Atmen sowie Hand- und Armbewegungen", sagte er.

Kochevar kam 2014 zum Case Western-Forschungsprojekt. Im Dezember desselben Jahres erhielt er seine Gehirnimplantate.Im Jahr 2015 implantierten Kirsch, Ajiboye und ihre Kollegen Elektroden in die Muskeln von Arm und Hand.

Kochevar hat gelernt, seine Gehirnsignale zu aktivieren, um verschiedene Geräte zu steuern.

"Wir ließen ihn zuerst einen virtuellen Arm auf einem Computerbildschirm sehen, während er sich gleichzeitig vorstellte, dieselben Bewegungen mit seinem eigenen Arm auszuführen", sagte Ajiboye. "Dies erzeugte Muster neuraler Aktivität. Wir entwickelten dann einen neuronalen Decoder, einen mathematischen Algorithmus, der die generierten neuronalen Aktivitätsmuster mit Aspekten der virtuellen Armbewegungen in Beziehung setzte. "

Dann ließ Kochevar den virtuellen Arm steuern, indem er Muster von Gehirnsignalen erzeugte, die dann von dem neuronalen Decoder interpretiert wurden, sagte Ajiboye.

Kochevar trainiert, den virtuellen Arm präzise auf bestimmte Ziele im Arbeitsbereich zu bewegen. Die Wissenschaftler quantifizierten seine Gehirnsteuerung des virtuellen Arms und stellten fest, dass er sie fast sofort kontrollieren konnte, sagte Ajiboye. Darüber hinaus erzielte Kochevar relativ schnell eine Erfolgsquote von 95 bis 100 Prozent der Zielgenauigkeit.

Schließlich ließen die Wissenschaftler Kochevar versuchen, seinen Arm in einem zweistufigen Prozess durch die FES-Stimulation zu bewegen.

"Wir haben seinen Arm manuell (durch elektrische Stimulation) bewegt und ihn angewiesen, sich vorzustellen, dass er die Kontrolle über seine Armbewegungen hat", sagte Ajiboye. "Dies hat wiederum dazu beigetragen, die gewünschten neuronalen Aktivitätsmuster zu erzeugen, mit denen wir unseren neuronalen Decoder aufgebaut und verfeinert haben. Wir ließen ihn den letzten neuronalen Decoder benutzen, um die Bewegungen seines eigenen Armes zu steuern, der durch elektrische Stimulation wiederbelebt wurde. Er war in der Lage, sofort seinen Arm wie gewünscht zu bewegen, und wurde mit zunehmender Nutzung immer besser. "

In einem von Case Western veröffentlichten Video sagte Kochevar:" Es war erstaunlich, weil ich daran dachte, meinen Arm zu bewegen, und das tat es. Ich konnte es ein- und ausschalten, auf und ab. "

Da Kochevar eine langfristige Lähmung hatte, waren seine Muskeln anfangs schwach und ermüdeten leicht. Ajiboye sagte.

Um seine Muskelkraft und Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung aufzubauen, trainierte das Team seine Muskeln mehrere Stunden am Tag mit elektrischer Stimulation ohne das Gehirnschnittstellensystem.

Mit der Zeit erhöhte diese elektrisch stimulierte Übung seine Muskelkraft und seine Fähigkeit, das System länger ohne Ermüdung zu nutzen.

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Gehirn-Computer-Schnittstellen

Wie bei den Case Western-Innovationen half die Innovation des Ohio-Staates einem Mann mit Tetraplegie nach Jahren der Lähmung, seine Hand zu benutzen.

Das Forschungsteam wurde von Dr. Ali Rezai, Professor für Neurochirurgie und Neurowissenschaften, und Direktor des Zentrums für Neuromodulation am Wexner Medical Center der Universität geleitet.

Der Patient, Ian Burkhart, erlitt im Alter von 19 Jahren bei einem Tauchunfall eine schwere Rückenmarksverletzung. Es ließ ihn mit wenig Funktion und Bewegung in seinen Schultern und Bizeps, und keine Bewegung von seinen Ellenbogen zu seinen Händen.

"Unser Team hat eine Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie entwickelt, die das geschädigte Rückenmark umgeht und es einem Patienten wie Ian mit Rückenmarksverletzung und Quadriplegie und ohne Funktion seiner Hände ermöglicht, seine Gedanken einfach zu nutzen, um seine zu bewegen leblose Hand, um lebendig zu werden und unter seiner Willenskontrolle ", sagte Rezai zu Healthline.

Nick Annetta, rechts von Battelle, sieht zu, wie Ian Burkhart, 24, mit seiner gelähmten Hand ein Gitarrenvideospiel spielt. Bildquelle: Ohio State University Wexner Medizinisches Zentrum / Battelle

Im April 2014 implantierte Rezai einen Mikrochip in der Größe des Kopfes eines Radiergummis auf der Oberfläche des motorischen Cortex von Burkhart's Gehirn. Die 96 Mikroelektroden des Chips zeichneten das Abfeuern seiner einzelnen Neuronen auf.

Rezai und seine Kollegen entwickelten das neuronale Bypass-System, das die Gehirnaktivität aufzeichnet und analysiert, die auftritt, wenn Burkhart beabsichtigt, seine Hand zu bewegen.

Nach der Umgehung des beschädigten Rückenmarks und der beschädigten Verbindung vom Gehirn zu den Muskelnerven, verbindet das System Burkhart's Gehirnsignal mit einem externen Kleidungsstück, sagte Rezai.

Dadurch kann Burkhart seine Hand bewegen.

"Das Gehirnimplantat zeichnet und interpretiert Gehirnsignale, die mit Gedanken verbunden sind, und verbindet sie mit einem externen tragbaren Ärmelkleid, um seine Muskeln zu kontrollieren", erklärte Rezai. "Es ist ein neuromuskuläres Stimulationssystem. Die mit einer Bewegungsabsicht verbundenen Gedanken - zum Beispiel das Öffnen der Hand - sind innerhalb von Millisekunden mit der tatsächlichen funktionellen Handbewegung verknüpft und verbunden. "

Die erste Generation des externen Wearable Sleeves-Bekleidungs- und Stimulationssystems, sagt er, hat bis zu 160 Stimulationselektroden" aus super flexiblem Hydrogel - einer hochauflösenden, hochauflösenden Anordnung von Elektroden, die sich an verschiedene Formen anpassen und Konturen wie der Unterarm. "

Das Kleidungsstück kann zu einem Ärmel, einem Handschuh, einer Socke, einer Hose, einem Gürtel, einem Kopfband und anderen Formfaktoren geformt werden.

"Eine beträchtliche Komplexität und Koordination ist erforderlich, um Bewegungen auf eine sanfte Art und Weise zu ermöglichen, um einen Rührer aufzusetzen, um den Kaffee zu rühren, eine Zahnbürste zu benutzen oder ein Videospiel zu spielen", sagte er. "Dieser maschinelle Lernalgorithmus verbessert und verfeinert die Bewegungen von rauen und unruhigen Bewegungen zu sanfteren und flüssigen Bewegungen. "

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Optimismus für die Zukunft

Neurowissenschaftler, die die jüngsten Durchbrüche beobachten, sind beeindruckt und optimistisch.

Joseph O'Doherty, PhD, ein leitender Postdoktorand am Philip Sabes Lab an der Universität von Kalifornien, San Francisco, Zentrum für Integrative Neurowissenschaften, nennt diese jüngsten Fortschritte in der Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie "bahnbrechend". "

" Diese Forschung zeigt, dass gelähmte Gliedmaßen - allein durch Gedanken - wiederbelebt werden können, um die für das tägliche Leben wichtigen koordinierten Bewegungen mit mehreren Gelenken wieder herzustellen: das Erreichen, Greifen, Essen und Trinken ", sagte er Healthline. "Es ist eine Machbarkeitsdemonstration, die die Möglichkeit eröffnet, dass ähnliche Therapien bald außerhalb der Klinik Anwendung finden könnten. "

Wissenschaftler haben seit den späten 1960er Jahren in irgendeiner Form an Gehirn-Computer-Schnittstellen gearbeitet, sagte er. Das Feld hat sich von der Kontrolle von Computer-Cursorn zu beweglichen Rollstühlen und Roboterarmen entwickelt, um jetzt freiwillige Kontrolle über die Gliedmaßen wieder herzustellen.

"Rückenmarksverletzungen beeinträchtigen häufig den Tastsinn und die Bewegungsfähigkeit", sagte O'Doherty. "Die Wiederherstellung von Gliedmaßenempfindungen wird ein wesentliches Element von Neuroprothesen sein, die flüssige und natürliche Bewegungen ermöglichen. "

" Es gibt noch viele Herausforderungen zu überwinden ", fügte er hinzu," aber dieses neue Ergebnis, kombiniert mit vielen verwandten Fortschritten in der drahtlosen Technologie, Batterietechnologie, Materialwissenschaften und mehr, macht mich sehr optimistisch bezüglich neuroprothetischer Geräte zur Wiederherstellung Bewegung und Sensation werden weithin verfügbar. "

Diese Innovationen bieten vielen Patienten, die mit Lähmungen oder anderen körperlichen Behinderungen leben, Hoffnung und das Potenzial für eine Bewegungssanierung und eine größere Unabhängigkeit. Dr. Ali Rezai, der Ohio State University Wexner Medical Center

Rezai sagte, dass 12.000 Menschen in den Vereinigten Staaten jedes Jahr eine Rückenmarksverletzung erleiden, und 300.000 leben mit solchen Verletzungen von Kraftfahrzeugunfällen, Trauma, Sportverletzungen und fällt.

Weniger als 1 Prozent erreichen eine vollständige Erholung, und die meisten haben Defizite, die auf verschiedene assistive und adaptive Technologien angewiesen sind, um ein begrenztes Maß an Unabhängigkeit zu gewährleisten.

"Diese Innovationen bieten vielen Patienten, die unter Lähmungserscheinungen oder anderen körperlichen Behinderungen leiden, Hoffnung und das Potenzial für eine Bewegungssanierung und eine größere Unabhängigkeit", sagte Rezai. "Neben motorischen Verbesserungen hat diese Technologie potentielle Auswirkungen auf Menschen mit sensorischen Defiziten, chronischen Schmerzen, Sprach-, Schlaganfall-, kognitiven, Angst- und Verhaltensauffälligkeiten. "

Rezai sagte, er sei zuversichtlich, dass bald diejenigen mit körperlichen, sensorischen, kognitiven und anderen Behinderungen die Möglichkeit haben, funktioneller zu sein, mehr Unabhängigkeit und eine bessere Lebensqualität zu haben.

"Unser Ziel ist es, diese Technologie weniger invasiv zu machen, die Größe des Geräts zu reduzieren, die Sensoren zu miniaturisieren, das System drahtlos zu machen und das System zu Hause anstatt im Labor bereitzustellen", sagte er.

Das Team von Case Western arbeitet auch daran, sein System technologisch voranzutreiben.

"Wir müssen ein kabelloses Brain-Interface entwickeln, um das Kabel zu ersetzen, das den Benutzer mit einer Reihe von Aufzeichnungscomputern verbindet", sagte Ajiboye. "Wir müssen das Gehirnimplantat für Langlebigkeit verbessern, um die Anzahl von Neuronen zu erhöhen, aus denen wir aufnehmen können, und um eine vollständig implantierte Gehirnschnittstelle und ein funktionelles elektrisches Stimulationssystem zu entwickeln. "