Jak implanty mózgu mogą pomóc sparaliżowanym ludziom

Nawet taki prosty ruch jak podnoszenie filiżanki herbaty, wymaga dużo akcji z Twojego ciała. Ramiona powinny pracować, aby przenieść je do kubka. Mięśnie dłoni powinny się otworzyć, aby można było chwycić filiżankę, a następnie zamknij palce, aby ją przytrzymać. Następnie mięśnie ramienia powinny przytrzymywać dłoń tak, aby nie zwlekała z powodu dodatkowego ciężaru kielicha. Wszystkie te mięśnie powinny działać dokładnie i w skoordynowany sposób, podczas gdy myślisz, że właśnie zrobiłeś swoją herbatę.

Jak pozbyć się sparaliżowanych mięśni?

Dlatego tak trudno jest poradzić sobie z sparaliżowaną kończyną. Większość sparaliżowanych mięśni może nadal działać, ale ich związek z mózgiem został stracony, więc nie otrzymują instrukcji na działanie. Niestety, lekarze jeszcze nie nauczyli się, jak naprawiać uszkodzenia rdzenia kręgowego, ale jest rozwiązanie. Możemy ominąć i dać sztuczne instrukcje mięśniom. Dzięki rozwojowi technologii czytania i interpretacji aktywności mózgu, instrukcje te mogą pewnego dnia pochodzić prosto z głowy pacjenta.

Możemy sprawić, że sparaliżowane mięśnie działają przez stymulowanie ich elektrodami umieszczonymi wewnątrz nich lub wokół nerwów, które je dostarczają. Ta technologia znana jest jako "funkcjonalna stymulacja elektryczna". Może być stosowany nie tylko do pomagania sparaliżowanym ludziom, ale także do przywrócenia funkcji pęcherza moczowego, do pobudzania skutecznego kaszlu, a także do złagodzenia bólu. Ta technologia może mieć duże znaczenie dla życia osób z urazami rdzenia kręgowego.

Badania naukowe

Dimitar Blanc i jej koledzy pracują nad tym, jak łączyć tę technologię z złożonym zestawem instrukcji wymaganych do obsługi jednej ręki. Jeśli chcesz podnieść filiżankę herbaty, które mięśnie muszą być stymulowane, kiedy i jak bardzo? Te instrukcje są bardzo złożone, a nie tylko ze względu na dużą ilość mięśni, które tu są zaangażowane. Podczas picia herbaty instrukcje te ulegną zmianie, gdy ciężar filiżanki zmniejszy się. Aby coś zrobić inaczej, na przykład zarysuj nos, instrukcje będą zupełnie inne.

Zamiast po prostu przetestować różne instrukcje dotyczące sparaliżowanych mięśni w nadziei na znalezienie tych, które będą skuteczne, naukowcy używają komputerowych modeli układu mięśniowo-szkieletowego do ich obliczania. Modele te są matematycznymi opisami, jak mięśnie, kości i stawy działają podczas ruchu. Podczas modelowania możliwe jest, aby mięśnie mocniejsze lub słabsze, sparaliżowane lub stymulowane z zewnątrz. Dlatego też można szybko i bezpiecznie przetestować różne modele impulsów, aby sprawdzić, które z nich są bardziej skuteczne.

Modelowanie mięśni

Aby przetestować technologię, naukowcy implantowali 24 elektrody w mięśniach i nerwach uczestników badania. Używali symulacji, aby zdecydować, gdzie umieścić elektrody, ponieważ sparaliżowane mięśnie są większe niż elektrody w nowoczesnych systemach funkcjonalnej stymulacji elektrycznej.

Jeśli miałbyś wybór, które mięśnie lepiej stymulować: podskórnie czy ponadnarodowe? Jeśli potrzebujesz pobudzenia nerwu pachowego, to gdzie powinieneś umieścić elektrodę? Aby odpowiedzieć na te złożone pytania, naukowcy wykorzystywali modelowanie z różnymi zestawami elektrod i wybrali model pozwalający modelowi komputerowi wykonywać najbardziej skuteczne ruchy.

Obecnie zespół pracuje nad ramieniem, który jest stabilizowany przez grupę mięśni zwaną obrotowym mankietem. Jeśli instrukcje, które otrzymasz są nieprawidłowe, może wydostać się z ramienia. Dlatego te modele komputerowe są niezbędne w tym badaniu. Nikt nie zdecydował się na takie eksperymenty na uczestników.

Nowe zadania

Wiedząc, jak aktywować sparaliżowane mięśnie, aby uzyskać przydatne ruchy, jest tylko połowa problemu. Naukowcy również muszą zdecydować, w jakim momencie aktywować mięśnie, na przykład gdy użytkownik chce podnieść jakiś przedmiot. Jedną z możliwych opcji jest przekazanie tych informacji bezpośrednio z mózgu. Niedawno naukowcy z USA stosowali implant do słuchania poszczególnych komórek w mózgu sparaliżowanej osoby. Ponieważ różne ruchy są związane z różnymi formami aktywności mózgu, uczestnik mógł wybrać jeden z sześciu wstępnie zaprogramowanych ruchów, które były generowane przez stymulację mięśni ramion.

Czytanie mózgu

Chociaż jest to ekscytujący krok naprzód w dziedzinie protez nerwowych, wiele problemów pozostaje nierozwiązanych. Idealnie, implanty mózgu powinny działać przez wiele dziesięcioleci. Ale w chwili obecnej trudno jest zapisać nawet te sygnały, które będą potrzebne przez kilka tygodni, więc systemy te powinny być regularnie skalibrowane. Zastosowanie nowych implantów lub różnych sygnałów mózgowych może poprawić długoterminową stabilność.

Ponadto, implanty słuchają tylko niewielkiej części milionów komórek, które kontrolują nasze kończyny, więc zakres ruchów może być dość ograniczony. Niemniej jednak osiągnięto kontrolę końcówek robota z pewnym stopniem swobody, a możliwości tej technologii szybko się rozwijają.

Przyszłość technologii

I wreszcie gładkie, bez wysiłku ruchy, które uważamy za oczywiste, kierowane są przez bogaty system sprzężenia zwrotnego sensorycznego, który komunikuje mózg, gdzie są nasze ręce i kiedy palce dotykają przedmiotów. Te sygnały mogą zostać utracone po urazie, więc naukowcy pracują także nad implantami mózgowymi, które mogą przywrócić wrażenia, a także ruchy.

Niektórzy naukowcy uważają, że technologia odczytywania mózgu może pomagać ludziom skutecznie współdziałać z komputerami, telefonami komórkowymi, a nawet z mózgiem innych ludzi. Niemniej jednak teraz pozostaje w dziedzinie science fiction, a kontrola mózgu do zastosowań medycznych szybko staje się rzeczywistością kliniczną.