211service.com
Mozkové čipy dávají paralyzovaným pacientům nové síly
Neurovědci sní o vytvoření neurální protetiky, která by paralyzovaným pacientům umožnila znovu získat kontrolu nad rukama a nohama. I když je tento cíl stále daleko, vědci z Brown University a Massachusetts General Hospital hlásí slibný krok vpřed.
Matthew Nagle, 25letý muž, který v roce 2001 ochrnul po zranění nožem, byl prvním člověkem, který otestoval chirurgicky implantované pole elektrod. (Kredit: Joshua Paul.)
Ve studii zveřejněné v časopise Příroda tento týden vědci popisují, jak dva ochrnutí pacienti s chirurgicky implantovaným nervovým zařízením úspěšně ovládali počítač a v jednom případě i robotickou ruku – pouze pomocí své mysli.
[Kliknutím sem zobrazíte videa pacienta ovládání kurzoru počítače a protetická ruka .]
Je to poprvé, kdy bylo takových výsledků dosaženo s neurálními implantáty u lidí. Výzkumníci nyní zdokonalují experimentální systém na komerční produkt – takový, který by mohl pacientům pomoci v jejich každodenním životě. Plánují učinit zařízení bezdrátovým a plně implantovatelným a zlepšit rychlost a složitost pohybů, které mohou pacienti používající implantát provádět.
Je to přelomová studie, protože ukazuje, že i roky po zranění můžete stále zaznamenávat užitečné signály z mozku a používat je k řízení zařízení, říká Josef Pancrazio , programový ředitel pro výzkum neurálního inženýrství v Národním institutu pro neurologické poruchy a mrtvici v Bethesdě, MD. Tato skupina skutečně posunula hranice.
Při poranění míchy a některých typech mrtvice je narušen informační systém přenosu informací mezi mozkem a svaly. Nervová zařízení, jako je ta použitá ve studii, mají za cíl zaznamenávat a zpracovávat existující signály a používat je k ovládání kurzoru počítače, robotické paže nebo dokonce ochrnuté končetiny. Výzkumníci Brown/MGH poprvé implantovali mozkový čip člověku v červnu 2004. A i když od té doby existují známky úspěchu, Příroda práce je první recenzní publikací, která podrobně popisuje, co mohou paralyzovaní pacienti s implantátem dělat. ( Recenze technologie informoval o práci Donoghue s Naglem v loňském roce v Implanting Hope, březen 2005.)
Rozhraní mozek-počítač použité ve studii, vytvořené společností Kyberkinetika Neurotechnology Systems ve Foxborough, MA, se skládá z malého silikonového čipu obsahujícího 100 elektrod, které zaznamenávají signály ze stovek neuronů v motorické kůře. Počítačový algoritmus pak převádí tento složitý vzorec činnosti na signál používaný k ovládání externího zařízení.
První pacient s implantovaným zařízením, 25letý muž, který ochrnul po zranění nožem v roce 2001, se úspěšně naučil ovládat počítačový kurzor, obratně se pohybovat v e-mailovém programu a používat počítač k zapnutí televize. a změnit kanál. Když bylo zařízení připojeno k robotické ruce, rychle se naučil ovládat ruku, zvedl a hodil kus bonbonu do ruky technika. Bylo to vzrušující, protože to pochopil velmi rychle – kolem deseti minut, říká John Donoghue , hlavní vědec projektu, zakladatel kyberkinetiky a neurolog na Brown University v Providence, RI. (Kliknutím sem zobrazíte video pacienta ovládajícího počítačový kurzor a protetickou ruku.)
Dva další pacienti ve studii, oba s různými typy zranění, se také naučili manipulovat s počítačovým programem, ačkoliv robotickou ruku ještě nevyzkoušeli. Výsledky ukazují, že je možné tato zařízení používat v reálném světě, ale před každodenním používáním máme ještě dlouhou cestu, říká Donohue.
Neurovědci používají podobná zařízení u opic a jiných zvířat již několik let, ale Donohueova studie je první, která testuje chirurgicky implantované elektrodové pole u lidských pacientů. Je to velký skok přivést tuto technologii mezi lidi, říká Stephen Scott , neurolog z Queen’s University v Kingstonu v Ontariu, který napsal komentář doprovázející článek. To bylo na první pokus docela úspěšné – pacienti ukázali některé působivé schopnosti.
I když jsou výsledky slibné, odborníci varují, že technologie je v raných fázích. To ještě zdaleka není užitečné zařízení, které skutečně zvyšuje kvalitu života tohoto pacienta, říká Andrew Schwartz , neurovědec z University of Pittsburg, který studuje podobná zařízení na zvířatech. Stejná technologie funguje lépe u opic, což naznačuje, že je třeba udělat více práce při navrhování záznamových elektrod a softwarových filtrů, říká.
V současné době dostupná pomocná zařízení pro ochrnuté pacienty, jako jsou počítačové programy aktivované hlasem nebo pohyby očí, se při provádění příkazu spoléhají na sekundární signál a vyžadují jak tréninkovou dobu, tak vysokou úroveň koncentrace. Implantované zařízení má potenciál pomoci pacientům mnohem přirozenějším způsobem. Využívá všechny informace, které mozek používá k pohybu [svalů], říká Donoghue. Protože to napodobuje normální systém zpracování mozku, pacienti mohou ovládat kurzor a mluvit současně, říká.
Donoghue a kolegové nyní upravují experimentální systém na zařízení pro širší použití. Současný systém má dráty spojující implantát s externím počítačem přes lebku, což s sebou nese riziko infekce. Výzkumníci plánují miniaturizovat hardware a udělat jej bezdrátovým, takže celý systém bude možné implantovat.
Tým také vyvíjí nový analytický software, který, jak doufají, umožní sofistikovanější typy pohybu. V současné době mohou pacienti procházet e-mailovým programem nebo provádět hrubé pohyby pomocí robotické paže; ale nemohou provádět složitější úkoly, jako je používání robotické paže k psaní na klávesnici nebo k snědení misky polévky.
Aby vědci dosáhli tak komplikovaných pohybů, musí nejprve vytvořit lepší dekodér, algoritmus, který interpretuje nervové signály mozku. Když se mozek připravuje na pohyb, řekněme, rukou zleva doprava, miliony neuronů v motorické kůře mozku se specifickým způsobem zapálí. Výzkumníci generují dekodér tak, že žádají pacienty, aby si představili pohyb ruky v kruhu, což spouští palbu neuronů, jako by se ochrnutá končetina pohybovala. Počítačový program pak tyto informace zaznamená a zpracuje a nakonec vytvoří filtr, který převádí následnou neuronální aktivitu na požadované akce.
Ale filtr má stále mnohem omezenější schopnost překládat informace než mozek. Využívá data ze stovek neuronů spíše než milionů a shromažďuje informace z jediné části mozku. Donohue a kolegové nyní vyvíjejí různé typy algoritmů, aby zjistili, které jsou nejvíce přizpůsobivé a co nejlépe využívají dostupné nervové signály.
Můžeme testovat různé algoritmy a pacienti nám mohou říct, které jsou nejjednodušší nebo se cítí nejpřirozenější, říká Leigh Hochberg, neurolog z Massachusetts General Hospital a hlavní autor studie. Domnívám se, že pokud budeme moci pokračovat ve zdokonalování dekódování jen z malé oblasti a možná nahrávání z více oblastí mozku, mohli bychom být schopni dále vylepšovat různé řídicí systémy dostupné lidem.
Další vědci také vyvíjejí způsoby, jak učinit mozková rozhraní mnohem rychlejší. Pro pacienta to může znamenat rozdíl mezi úsilím napsat e-mail a napsat e-mail s minimální námahou. Práce s primáty, Krishna Shenoy a kolegové ze Stanfordské univerzity ve Stanfordu v Kalifornii dokázali zčtyřnásobit rychlost přenosu informací pomocí podobného implantátu, ale záznamu z jiné části mozku. Pro lidskou bytost by to znamenalo psát 15 slov za minutu namísto pouhých čtyř.
Donoghue nakonec plánuje přizpůsobit svůj systém tak, aby předvedl ještě větší výkon. Tým spolupracuje s vědci z Case Western Reserve University v Clevelandu, OH, na vytvoření zařízení, které využívá signály z mozku k elektrické stimulaci paralyzovaného svalu, což pacientům potenciálně umožňuje pohybovat končetinami.
Není divu, že to lidé chtějí nejvíce. Když se Donoghue zeptal pacienta, zda by dal přednost tomu, aby mohl dělat sofistikované pohyby protetickou paží nebo hrubé pohyby vlastní paží, zvolil to druhé. Myšlenka na oživení vlastního těla byla mnohem důležitější než to, jak sofistikovaný pohyb může být, říká Donoghue.