Mózg porusza ręką z pominięciem rdzenia

Zespół z Northwestern University opracował technologię, która przekazuje sygnały z mózgu wprost do mięśni. Omijając rdzeń kręgowy, umożliwia poruszanie sparaliżowaną kończyną. Na razie rozwiązanie przetestowano na małpach.

Podsłuchiwaliśmy naturalne sygnały elektryczne z mózgu, które informują ramię i dłoń, jak się poruszyć i przekazywaliśmy je bezpośrednio do mięśni. Być może pewnego dnia połączenie mózg-mięśnie zostanie wykorzystane, by pomóc pacjentom sparaliżowanym wskutek urazu rdzenia w wykonywaniu codziennych czynności [...] - opowiada prof. Lee E. Miller.

Kiedy małpy chwytały piłkę, podnosiły ją i wrzucały do małej rurki, dzięki wszczepionym elektrodom nagrywano sygnały elektryczne w mózgu i mięśniach. W ten sposób naukowcy zdobyli algorytm (dekoder), pozwalający im przetworzyć sygnały mózgowe i przewidzieć wzorzec aktywność mięśniowej w momencie, gdy zwierzę chciało podnieść piłkę.

Podczas symulacji skutków uszkodzenia rdzenia na poziomie 5. lub 6. kręgu szyjnego Christian Ethier i Emily Oby podawali rezusom znieczulenie miejscowe, hamując aktywność nerwową w łokciu (blokada obejmowała nerw łokciowy i pośrodkowy). Wskutek tego pojawiał się przejściowy paraliż dłoni. Amerykanie posłużyli się urządzeniami w mózgu i ramieniu, nazywanymi łącznie neuroprotezą. Sygnały z małpiego mózgu kontrolowały prąd o niewielkim natężeniu, dostarczany do mięśni przez mniej niż 40 milisekund. Dochodziło do skurczu mięśni, a zwierzęta mogły podnieć piłeczkę i ukończyć zadanie z niemal tak samo dobrym rezultatem jak wcześniej.

Małpa nie posługiwała się dłonią idealnie, ale to proces uczenia motorycznego, który wg nas, jest bardzo podobny do procesu, z którym mamy do czynienia w czasie zaznajamiania się z nową myszką komputerową czy rakietą tenisową. Rzeczy są różne i nauczyliśmy się do nich przystosowywać - przekonuje Miller.

Ponieważ akademicy bazowali na związkach między aktywnością mózgu i aktywnością mięśni, neuroproteza wyczuwa i interpretuje całą gamę ruchów, które małpa może chcieć wykonać. To daje zwierzęciu dowolną kontrolę nad dłonią, co nie jest możliwe w przypadku obecnie stosowanych protez - zaznacza Miller.

Praktyka pokazała, że systemy, które doprowadzają do skurczu mięśni przez funkcjonalną stymulację elektryczną (ang. functional electrical stimulation, FES), pozwalają pacjentom z porażeniem czterokończynowym odzyskać kontrolę nad ruchami ręki. Istniejące systemy wykorzystują resztkowe możliwości w zakresie poruszania stawami proksymalnymi, np. barkowymi, by uruchomić preprogramowaną stymulację wyzwalającą skurcz mięśni.

Proteza Freehand, która powstała na Uniwersytecie w Heidelbergu jeszcze w latach 90., bazuje właśnie na wzruszeniach ramionami: ruch w górę aktywuje elektrody i stymuluje mięśnie do zaciśnięcia dłoni, a ruch w dół prowadzi do zwolnienia uchwytu. Pacjent może też wybrać, czy wszystkie palce oplotą się na obiekcie, np. szklance, czy chodzi o cienki obiekt, np. klucz, który zostanie wzięty między kciuk a palec wskazujący.

W systemie Millera implantowana macierz multielektrodowa wykrywa aktywność ok. 100 neuronów w mózgu i służy jako interfejs między mózgiem a komputerem, który odcyfrowuje sygnały i generuje ruchy ręki. "Chociaż w wykonanie ruchu zwykle zaangażowanych jest o wiele więcej komórek nerwowych, z tylko 100 neuronów [kory ruchowej] możemy wyekstrahować zadziwiająco dużą liczbę informacji".

rdzeń kręgowy uszkodzony elektrody FES kończyna poruszanie mózg kora ruchowa dekoder Lee E. Miller