Als iemand een beschadigde nier heeft, kan een donor hem een reserveorgaan geven zodat beide mensen kunnen leven. Wat als je iets soortgelijks zou kunnen doen voor een vriend met een falend brein?
gerelateerde inhoud
- Hoe een transparante vis de hersenen kan helpen decoderen
- Kan deze hoofduitrusting helpen bij de behandeling van de ziekte van Parkinson?
In recente laboratoriumexperimenten voegden Miguel Nicolelis en zijn collega's de hersenen van meerdere apen en ratten samen om te functioneren als "hersens" - gedeelde netwerken die in staat zijn om samen een virtuele arm te manipuleren en berekeningen en beslissingen te nemen. Nicolelis hoopt dat het koppelen van menselijke hersenen op deze manier een krachtige nieuwe reeks neurologische hulpmiddelen kan ontketenen die mensen kan helpen genezen met aandoeningen van Parkinson tot verlamming.
"We proberen een volledig nieuw gebied van hersenrevalidatie", legt Nicolelis uit, directeur van het Center for Neuroengineering van de Duke University. "We gaan proberen in te werken op de circuits van de hersenen en de functionele activiteit van de hersenen te verbeteren."
"We vergeten vaak dat het brein een van de meest rekenkrachtige apparaten is die ooit is ontwikkeld, " voegt Andrea Stocco van de Universiteit van Washington toe, die niet betrokken was bij het onderzoek. “Voor de dingen waarvoor het is ontwikkeld, zoals het begrijpen van een scène die we voor het eerst zien of het beheersen van complexe bewegingen van onze ledematen, is het gewoon onverslaanbaar. Nu laat Nicolelis zien dat we de rekenkracht kunnen combineren die de hersenen hebben om mogelijk de soorten slecht gedefinieerde problemen op te lossen die heel moeilijk zijn voor onze software, maar gemakkelijk voor onze biologische hardware, onze neuronen, om op te lossen. "
Hersenen-machine-interfaces bestaan al ongeveer twee decennia en de technologie wordt gebruikt in verschillende medische behandelingen. Sommige apparaten gebruiken bijvoorbeeld de elektrische output van de hersenen, vertaald door een computer, om mensen in staat te stellen protheses te bedienen of een rolstoel te manipuleren. Bij eerder werk was slechts één operator betrokken. Nicolelis hoopte te leren of meer dan één onderwerp zou kunnen samenwerken als een gedeelde hersen-machine-interface om neurale activiteit te verbeteren.
Zijn team voorzag drie apen van geïmplanteerde elektroden die neurale activiteit volgden en registreerden, die vervolgens door een computer konden worden gecombineerd. De apen waren in afzonderlijke kamers gestationeerd, elk met een digitaal display waarop de aap zijn hersenmachine-interface kon gebruiken om een virtuele arm naar een beloning te manipuleren. In sommige tests deelden de apen de controle over de arm, terwijl in andere elke beweging de beweging in een bepaalde richting controleerde. Geen van de dieren wist dat ze samenwerkten om de arm te bewegen. Verbazingwekkend genoeg hebben ze niet alleen de taak volbracht, ze verbeterden met de praktijk.
"Blijkbaar blijken deze dieren alleen door visuele feedback te krijgen en een beloning te krijgen voor het uitvoeren van een actie, hun hersenen te synchroniseren en kunnen ze leren voldoen aan de eisen van een bepaalde taak, " zegt Nicolelis, wiens team beschreef de resultaten vorige week in wetenschappelijke rapporten .
"De apen werkten samen langzamer om de taak te voltooien dan wat ze konden doen met het manipuleren van een joystick - maar ze leerden precies zo snel, " zegt Stocco. “Dat is verbazingwekkend en het lijkt te betekenen dat dit probleem voor de hersenen net zo gemakkelijk te interpreteren is als elk probleem van sensorische motorische coördinatie. Vanaf dit geweldige begin kun je zien hoe je complexere taken kunt maken die de apen beter kunnen doen dan ze samen kunnen doen. "
In een afzonderlijk experiment dat ook in wetenschappelijke rapporten wordt beschreven, werden vier ratten fysiek verbonden met een microwire om te onderzoeken hoe hun hersenen samenwerkten als een netwerkeenheid om een reeks problemen aan te pakken. De ratten kregen elektrische informatiepulsen en werden beloond toen ze hun hersenen synchroniseerden. Ze ontvingen ook gegevens, zoals temperatuur en luchtdruk. De ratten hebben deze informatie opgeslagen, opgehaald en gedeeld - waardoor hun brein beter kon presteren bij analyses zoals weersvoorspelling dan een enkele, draadloze rat.
"Wat ze deden was echt de envelop verleggen en ik vond het fascinerend", zegt Stocco, die twee jaar geleden geschiedenis schreef met zijn collega Rajesh Rao, met de eerste externe interface tussen mens en mens. Rao stuurde een hersensignaal via internet dat Stocco's hand bewoog, zelfs terwijl hij in een kamer tegenover de campus zat.
Nicolelis suggereert dat mensen mogelijk al deelnemen aan een natuurlijke vorm van hersendeling wanneer ze worden onderworpen aan algemene feedback - zonder te beseffen dat dit gebeurt. “Het interessante is dat dit waarschijnlijk altijd bij ons gebeurt. Wanneer we een film in een theater kijken, synchroniseert dit soort feedback waarschijnlijk het brein in het publiek, zodat we die groepsreacties hebben, lachen of huilen op dezelfde momenten, "zegt hij.
"Het kan ook verklaren waarom groepen mensen kunnen samenwerken om een gemeenschappelijk doel te bereiken. Zoals een sportteam bijvoorbeeld, waar we vaak kijken en zeggen dat een team eindelijk speelt als een team en niet als een groep individuen. Niemand heeft eigenlijk leggen wat precies die chemie is waardoor een voetbalteam beter gaat spelen. Het kan zijn dat we het mechanisme hebben gevonden - synchronisatie van hersenactiviteit. "
Zijn team werkt nu aan pogingen om de apenstudie te vertalen naar niet-invasieve klinische praktijken om mogelijk verlamde mensen te helpen revalideren door middel van groepsgedachten en -acties.
“Bij mijn dwarslaesiepatiënten merkte ik bijvoorbeeld dat het heel moeilijk was om te beginnen met trainen met een hersensignaal, omdat de hersenen letterlijk kunnen vergeten dat je benen hebt, ” legt hij uit. “Dus onderdeel van deze neurologische revalidatie is om een ander brein te gebruiken om het concept opnieuw in de hersenen van de patiënten te introduceren. We kunnen mogelijk een fysiotherapeut hebben of zelfs familieleden van de patiënt helpen tijdens de trainingsfase door hun hersenactiviteiten in feite te combineren met de hersenactiviteiten van de patiënt. "
