Para saintis telah menggunakan "antarmuka otak-tulang belakang" tanpa wayar untuk mengelakkan kecederaan saraf tunjang di sepasang kera rhesus, memulihkan pergerakan berjalan dengan sengaja ke kaki sementara lumpuh.

Penyelidik mengatakan ini adalah kali pertama prostesis saraf telah digunakan untuk memulihkan pergerakan berjalan terus ke kaki primata bukan manusia.

"Sistem yang kami usahakan menggunakan isyarat yang direkodkan dari korteks motor otak untuk mencetuskan rangsangan elektrik yang saling menyelaraskan pada tulang belakang yang bertanggungjawab untuk melakukan gerakan," kata David Borton, penolong profesor kejuruteraan di Brown University dan penulis bersama kajian ini. "Dengan sistem yang dihidupkan, haiwan-haiwan dalam kajian kami mempunyai pergerakan yang hampir normal."

Kerja ini boleh membantu dalam membangun sistem yang serupa yang direka untuk manusia yang mengalami kecederaan saraf tunjang.

Menetapkan semula komunikasi

"Terdapat bukti untuk menunjukkan bahawa sistem stimulasi tulang belakang terkawal dapat meningkatkan pemulihan selepas kecederaan saraf tunjang," kata Borton. "Ini adalah satu langkah untuk menguji lagi kemungkinan itu."

Grégoire Courtine, seorang profesor di Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL) yang mengetuai kerjasama itu, telah memulakan ujian klinikal di Switzerland untuk menguji bahagian tulang belakang antara muka. Dia memberi amaran: "Terdapat banyak cabaran di hadapan dan mungkin mengambil masa beberapa tahun sebelum semua komponen intervensi ini dapat diuji pada orang."

Berjalan mungkin kerana interaksi yang kompleks di antara neuron di otak dan saraf tunjang. Isyarat elektrik yang berasal dari korteks motor otak bergerak ke kawasan lumbar di saraf tunjang bawah, di mana mereka mengaktifkan neuron motor yang menyelaraskan pergerakan otot yang bertanggungjawab untuk memanjangkan dan melenturkan kaki.

Kecederaan pada bahagian atas tulang belakang boleh memotong komunikasi antara otak dan korda tulang belakang yang lebih rendah. Kedua-dua korteks motor dan neuron tulang belakang mungkin berfungsi sepenuhnya, tetapi mereka tidak dapat menyelaraskan aktiviti mereka. Matlamat kajian ini adalah untuk membina semula beberapa komunikasi tersebut.

Antara muka otak-tulang belakang menggunakan pelbagai elektrod saiz pil yang diimplan di otak untuk merekodkan isyarat dari korteks motor. Teknologi sensor dibangunkan sebahagiannya untuk kegunaan penyelidikan pada manusia oleh kolaborasi BrainGate, sebuah pasukan penyelidikan yang merangkumi Brown, Case Western Reserve University, Massachusetts General Hospital, Providence VA Medical Centre, dan Stanford University.

Teknologi ini digunakan dalam percubaan klinikal percubaan yang sedang dijalankan, dan digunakan sebelum ini dalam a mengkaji diketuai oleh neuroengineer Brown Leigh Hochberg di mana orang dengan tetraplegia dapat mengendalikan lengan robot hanya dengan memikirkan pergerakan tangan mereka sendiri.

Neurosensor tanpa wayar, yang dibangunkan di makmal neuroengineering profesor Brown Arto Nurmikko oleh pasukan yang termasuk Borton, menghantar isyarat yang dikumpulkan oleh cip otak tanpa wayar ke komputer yang mendekodkannya dan menghantarnya secara wayarles ke alat stimulator tulang belakang elektrik yang ditanamkan di lumbar tulang belakang, di bawah kawasan kecederaan. Itu rangsangan elektrik, dihantar dalam corak yang diselaraskan oleh otak yang dinodai, memberi isyarat kepada saraf tulang belakang yang mengendalikan pergerakan.

Untuk mengkalibrasi penyahkodan isyarat otak, para penyelidik menanamkan sensor otak dan pemancar tanpa wayar pada kera yang sihat. Isyarat yang disampaikan oleh sensor kemudiannya dapat dipetakan ke pergerakan kaki haiwan. Mereka menunjukkan bahawa dekoder itu dapat dengan tepat meramalkan keadaan otak yang berkaitan dengan lanjutan dan fleksi otot kaki.

Wireless adalah penting

Keupayaan untuk menghantar isyarat otak secara wayarles adalah penting untuk kerja ini, kata Borton. Sistem penginderaan otak berwayar mengehadkan kebebasan pergerakan, yang seterusnya mengehadkan para penyelidik maklumat dapat mengumpul mengenai lokomotif.

"Melakukannya secara wayarles membolehkan kita memetakan aktiviti saraf dalam konteks normal dan semasa tingkah laku semula jadi," kata Borton. "Jika kita benar-benar bertujuan untuk neuroprosthetics yang pada suatu hari nanti boleh digunakan untuk membantu pesakit manusia semasa aktiviti harian, teknologi rakaman yang tidak teratur akan menjadi kritikal."

Untuk kerja semasa, yang diterbitkan dalam AlamPara penyelidik menggabungkan pemahaman mereka tentang bagaimana isyarat otak mempengaruhi lokomposisi dengan peta tulang belakang, yang dibangunkan oleh makmal Courtine di EPFL, yang mengenal pasti titik panas saraf di tulang belakang yang bertanggungjawab terhadap kawalan locomotor. Itu membolehkan pasukan untuk mengenal pasti litar saraf yang perlu dirangsang oleh implan tulang belakang.

Dengan kepingan-kepingan ini, para penyelidik kemudian menguji seluruh sistem pada dua kera dengan lesi yang merangkumi separuh saraf tunjang pada tulang belakang toraks mereka. Macaque dengan kecederaan jenis ini biasanya mendapatkan semula kawalan fungsi kaki yang terjejas sepanjang tempoh sebulan atau lebih, kata para penyelidik. Pasukan tersebut menguji sistem mereka pada minggu-minggu selepas kecederaan itu, ketika masih tidak ada kontrol atas kaki yang terkena.

Penemuan menunjukkan bahawa dengan sistem dihidupkan, haiwan mula bergerak secara spontan ketika berjalan kaki di atas treadmill. Perbandingan kinematic dengan kawalan yang sihat menunjukkan bahawa kera lesionsed, dengan bantuan rangsangan otak, dapat menghasilkan corak lokomotif yang hampir normal.

Semasa menunjukkan bahawa sistem kerja dalam primata bukan manusia adalah langkah penting, para penyelidik menekankan bahawa lebih banyak kerja harus dilakukan untuk memulakan menguji sistem pada manusia. Mereka juga menunjuk beberapa batasan dalam kajian ini.

Sebagai contoh, semasa sistem yang digunakan dalam kajian ini berjaya menyampaikan isyarat dari otak ke tulang belakang, ia tidak mempunyai keupayaan untuk mengembalikan maklumat deria ke otak. Pasukan itu juga tidak dapat menguji berapa banyak tekanan haiwan yang boleh memohon kepada kaki yang terkena. Walaupun jelas bahawa anggota badan mempunyai berat badan, tidak jelas dari kerja ini berapa banyak.

"Dalam kajian translasi yang lengkap, kami ingin melakukan lebih banyak kuantiti tentang betapa seimbangnya hewan semasa berjalan dan mengukur kekuatan yang dapat diterapkan," kata Borton.

Walaupun terdapat batasan-batasan, penyelidikan ini menetapkan peringkat untuk kajian masa depan di primata dan, pada satu ketika, berpotensi sebagai bantuan pemulihan manusia.

"Ada pepatah dalam neurosains bahawa litar yang menyala bersama bersama," kata Borton. "Idea di sini ialah dengan melibatkan otak dan saraf tunjang bersama-sama, kita mungkin dapat meningkatkan pertumbuhan litar semasa pemulihan. Itulah salah satu matlamat utama kerja ini dan matlamat bidang ini secara umum. "

Pembiayaan berasal dari Program Kerangka Ketujuh Komuniti Eropah, Yayasan Antarabangsa untuk Penyelidikan di Paraplegia Permulaan Geran dari Majlis Penyelidikan Eropah, Pusat Wyss di Geneva Marie Curie Fellowship, Marie Curie COFUND EPFL fellowship, Medtronic Morton Cure Paralysis Fund fellowship, NanoTera.ch Program, Pusat Kompetensi Nasional dalam Penyelidikan dalam program Sinergia Robotik, Kerjasama Sains dan Teknologi Sino-Swiss, dan Yayasan Sains Nasional Swiss.

sumber: Universiti Brown

{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}

Buku berkaitan:

at InnerSelf Market dan Amazon