De twee patiënten met verlamming liepen in een mum van tijd op loopbanden. Deze indrukwekkende prestatie werd mogelijk gemaakt door een ongekende nieuwe operatie, waarbij onderzoekers draadloze apparaten in de hersenen van de patiënten implanteerden die hun hersenactiviteit registreerden. Dankzij de technologie konden de hersenen communiceren met de benen - de gebroken ruggenmergroutes omzeilen - zodat de patiënt weer controle kon krijgen.
gerelateerde inhoud
- Hoe het hacken van neurale netwerken kan helpen geamputeerden feilloos een ei te kraken
- Vijf verlamde mannen bewegen opnieuw hun benen in een UCLA-onderzoek
Deze patiënten bleken apen te zijn. Maar deze kleine stap voor apen kan leiden tot een gigantische sprong voor miljoenen verlamde mensen: dezelfde apparatuur is al goedgekeurd voor gebruik bij mensen, en klinische onderzoeken zijn aan de gang in Zwitserland om de therapeutische effectiviteit van de ruggenmergstimulatiemethode bij mensen te testen (minus het hersenimplantaat). Nu onderzoekers een proof-of-concept hebben, kan dit soort draadloze neurotechnologie de toekomst van het herstel van de verlamming veranderen.
In plaats van te proberen de beschadigde ruggenmergpaden te repareren die meestal hersensignalen aan de ledematen afgeven, probeerden wetenschappers een innovatieve benadering van omgekeerde verlamming: het knelpunt van het letsel volledig omzeilen. Het implantaat werkte als een brug tussen de hersenen en de benen, regisseerde beenbewegingen en stimuleerde spierbewegingen in realtime, zegt Tomislav Milekovic, een onderzoeker aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Zwitserland. Milekovic en co-auteurs rapporteren hun bevindingen in een nieuw artikel woensdag gepubliceerd in het tijdschrift Nature .
Wanneer het neurale netwerk van de hersenen informatie verwerkt, produceert het onderscheidende signalen - die wetenschappers hebben geleerd te interpreteren. Degenen die in primaten lopen, zijn afkomstig uit het gebied ter grootte van een dubbeltje dat bekend staat als de motorische cortex. Bij een gezond individu reizen de signalen langs het ruggenmerg naar het lumbale gebied, waar ze de activering van beenspieren aansturen om lopen mogelijk te maken.
Als een traumatisch letsel deze verbinding verbreekt, is een onderwerp verlamd. Hoewel de hersenen nog steeds in staat zijn om de juiste signalen te produceren en de spieractiverende neurale netwerken van het been intact zijn, bereiken die signalen nooit de benen. De onderzoekers slaagden erin om de verbinding opnieuw tot stand te brengen door middel van realtime, draadloze technologie - een ongekende prestatie.
Hoe werkt het systeem? De kunstmatige interface van het team begint met een reeks van bijna 100 elektroden geïmplanteerd in de motorische cortex van de hersenen. Het is verbonden met een opnameapparaat dat de piek van elektrische activiteiten in de hersenen meet die beenbewegingen regelen. Het apparaat stuurt deze signalen naar een computer die deze instructies decodeert en vertaalt naar een andere reeks elektroden die in het onderste ruggenmerg zijn geïmplanteerd, onder het letsel. Wanneer de tweede groep elektroden de instructies ontvangt, activeert deze de juiste spiergroepen in de benen.
Voor het onderzoek kregen de twee Rhesus-makaken apen in het lab. Na hun operaties moesten ze een paar dagen doorbrengen met wachten en wachten tot het systeem de benodigde gegevens over hun toestand had verzameld en gekalibreerd. Maar slechts zes dagen na het letsel liep een aap op een loopband. De andere was op en liep op dag 16 na de blessure.
Het succes van het hersenimplantaat laat voor het eerst zien hoe neurotechnologie en ruggenmergstimulatie het loopvermogen van een primaat kunnen herstellen. "Het systeem herstelde locomotorische bewegingen onmiddellijk, zonder enige training of opnieuw leren, " vertelde Milekovic, die datagedreven neuroprothetische systemen ingenieurs, Smithsonian.com.
"De eerste keer dat we de interface van de hersenen en de wervelkolom aanzetten, was een moment dat ik nooit zal vergeten, " voegde EPFL-onderzoeker Marc Capogrosso toe aan een verklaring.
Een nieuw hersenimplantaat stuurt draadloos signalen naar de spiergroepen van de benen. (Illustratie door Jemere Ruby) De techniek van het 'hacken' van de neurale netwerken van de hersenen heeft opmerkelijke prestaties opgeleverd, zoals het helpen maken van aanraakgevoelige protheses waarmee dragers delicate taken kunnen uitvoeren, zoals het breken van een ei. Maar veel van deze inspanningen maken gebruik van kabelverbindingen tussen de hersenen en opnameapparaten, wat betekent dat de onderwerpen niet vrij kunnen bewegen. "Neurale controle van hand- en armbewegingen werd tot in detail onderzocht, terwijl minder aandacht werd besteed aan de neuronale controle van beenbewegingen, waarbij dieren vrij en natuurlijk moesten bewegen", zegt Milekovic.
Christian Ethier, een neurowetenschapper aan de Université Laval van Quebec, die niet betrokken was bij het onderzoek, noemde het werk een "belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van neuroprothetische systemen." Hij voegde eraan toe: "Ik geloof dat deze demonstratie de vertaling van invasieve hersenen zal versnellen -computerinterfaces voor menselijke toepassingen.
In een begeleidend stuk News & Views in Nature, stemt neurowetenschapper Andrew Jackson ermee in, erop wijzend hoe snel de vorderingen op dit gebied zijn veranderd van apen op mensen. Een document uit 2008 bijvoorbeeld, toonde aan dat verlamde apen alleen met hun hersenen een robotarm konden besturen; vier jaar later deed een verlamde vrouw hetzelfde. Eerder dit jaar stelde hersengestuurde spierstimulatie een quadriplegisch persoon in staat om items, onder andere praktische handvaardigheden, te begrijpen, nadat dezelfde prestatie werd bereikt bij apen in 2012.
Jackson concludeert uit deze geschiedenis dat "het niet onredelijk is om te speculeren dat we tegen het einde van het decennium de eerste klinische demonstraties van interfaces tussen de hersenen en het ruggenmerg konden zien."
De Blackrock-elektrodenarray geïmplanteerd in de hersenen van de apen wordt al 12 jaar gebruikt om met succes hersenactiviteit vast te leggen in de klinische proeven van BrainGate; Talrijke onderzoeken hebben aangetoond dat dit signaal complexe neuroprothetische apparaten nauwkeurig kan regelen. "Hoewel het een operatie vereist, is de reeks een orde van grootte kleiner dan de chirurgisch geïmplanteerde diepe hersensimulators die al door meer dan 130.000 mensen met de ziekte van Parkinson of andere bewegingsstoornissen worden gebruikt, " voegt Milekovic toe.
Hoewel deze test beperkt was tot slechts enkele fasen van hersenactiviteit in verband met lopen, suggereert Ethier dat het in de toekomst mogelijk een groter bewegingsbereik mogelijk zou kunnen maken. “Met dezelfde hersenimplantaten is het mogelijk om de bewegingsintentie veel gedetailleerder te decoderen, vergelijkbaar met wat we hebben gedaan om de grijpfunctie te herstellen. ... ik verwacht dat toekomstige ontwikkelingen verder zullen gaan en misschien andere mogelijkheden omvatten zoals het compenseren van obstakels en het aanpassen van de loopsnelheid. "
Ethier merkt nog een intrigerende mogelijkheid op: het draadloze systeem kan het lichaam zelfs helpen zichzelf te genezen. "Door de activiteit in de hersenen en de spinale motorcentra opnieuw te synchroniseren, zouden ze de zogenaamde" activiteitsafhankelijke neuroplasticiteit "kunnen bevorderen en alle gespaarde verbindingen tussen de hersenen en de spieren kunnen consolideren, " zegt hij. "Dit kan op de lange termijn therapeutische effecten hebben en het natuurlijke herstel van de functie bevorderen, wat verder gaat dan mogelijk is met conventionele revalidatietherapieën."
Dit fenomeen wordt niet goed begrepen en de mogelijkheid blijft op dit punt speculatief, benadrukt hij. Maar de tastbare prestatie die dit onderzoek aantoont - het helpen van de verlamde wandeling weer met hun hersenen - is al een enorme stap.
