Lumpuh dan Pembedahan Bypass Brain

Kejayaan saintifik dalam teknologi antara muka otak boleh memberikan harapan baru untuk mengatasi kelumpuhan.

Pada kemajuan terkini, seorang lelaki dengan quadriplegia yang lumpuh lapan tahun lalu, memperoleh pergerakan fungsi lengannya.

AdvertisementAdvertisement

Dia memberi makan dengan tangannya menggunakan teknologi ini, yang pertama dalam sejarah perubatan.

Penyelidik di Case Western Reserve University di Ohio mengumumkan penemuan mereka pada 28 Mac di jurnal perubatan British The Lancet.

Iklan

"renda saraf" Musk, menurut laporan di The Wall Street Journal, akan menghubungkan otak seseorang secara langsung dengan komputer.

Sementara itu, ahli sains di The Ohio State University (OSU) sedang bekerjasama dengan pesakit yang lumpuh dan telah membangunkan teknologi yang serupa dengan yang di Case Western.

advertisementAdvertisement

Pasukan OSU sedang membangunkan teknologi dengan saintis di Battelle Memorial Institute, sebuah pertubuhan bukan untung di Ohio yang mencipta peranti perubatan.

Baca lebih lanjut: Exoskeleton membantu orang yang lumpuh berjalan lagi »

Decoding isyarat otak

Para saintis Case Western telah bekerjasama dengan Bill Kochevar, 53 tahun dengan quadriplegia yang cedera dalam kemalangan basikal.

Para penyelidik menanamkan neuroprosthesis yang menguraikan isyarat otaknya dan menghantarnya ke sensor di lengannya, yang membantu dia untuk mendapatkan semula gerakan di tangan dan lengannya.

Robert Kirsch, PhD, pengerusi Jabatan Kejuruteraan Bioperubatan Biro Kejuruteraan Awam, pengarah eksekutif Pusat Perangsang Fungsional Fungsional (FES) universiti, adalah pengarang kanan penyelidikan.

AdvertisementAdvertisement

Dia memanggil terobosan sebagai langkah utama.

"Kami telah menunjukkan kemungkinan mencatatkan niat pergerakan seseorang dan kemudian membuat lengan mereka sendiri membuat pergerakan itu," katanya.

Dia hanya berfikir tentang menggerakkan lengannya dan lengan bergerak seperti yang dia mahu. Bolu Ajiboye, Case Western Reserve University

Kaisar Kirsch Bolu Ajiboye, PhD, seorang penolong profesor kejuruteraan bioperubatan di Case Western, dan penyelidik penyelidikan di Pusat Perubatan Pentadbiran Veteran Louis Stokes Cleveland, menjelaskan bagaimana teknologi itu berfungsi. Pergerakan normal pada orang yang tidak terjejas berlaku kerana korteks motor menghasilkan arahan pergerakan, yang diwakili sebagai isyarat elektrik, yang dilalui melalui saraf tunjang, dan kemudian mengaktifkan otot yang sesuai, "kata Ajiboye kepada Healthline.

Kecederaan tali tulang belakang menghalang orang-orang impuls elektrik daripada mencapai otot, tetapi menjelaskan arahan pergerakan asal masih dikodkan dengan betul dalam pola otak aktiviti elektrik.

AdvertisementAdvertisement

"Sistem kami merekod corak aktiviti elektrik melalui implan otak dan menggunakan algoritma matematik untuk menodalkannya ke dalam arahan pergerakan yang dimaksudkan oleh orang yang mengalami kelumpuhan. Perintah itu diubah menjadi corak rangsangan elektrik yang digunakan untuk kumpulan otot yang betul untuk menghasilkan pergerakan itu. Kepada Encik Kochevar, proses itu lancar dan tidak dapat dilihat. Dalam kata-kata beliau, dia mengatakan bahawa dia hanya berfikir tentang menggerakkan lengannya dan lengan bergerak seperti yang dia mahu. "

Ajiboye juga menunjukkan teknologi baru ini tidak.

Sains telah banyak kali cuba untuk "memperbaiki" tulang belakang yang rosak melalui kejuruteraan tisu dan pertumbuhan semula tanpa kejayaan, katanya.

Iklan

"Kami sangat sukakan para saintis untuk mencari jalan untuk menyusun semula dan menyambung semula saraf tunjang menggunakan terapi sel," kata Ajiboye. "Bagaimanapun, pendekatan semasa kami menggunakan teknologi untuk menghindari kecederaan tulang belakang untuk mendapatkan isyarat gerakan dari otak ke set otot yang tepat untuk menghasilkan gerakan itu. "

Teknologi lain yang membantu orang lumpuh untuk memulihkan fungsi biasanya terhad kepada peranti yang mereka dapat mengawal menggunakan suara dan gerakan mata mereka, atau dengan memindahkan kepala mereka.

AdvertisementAdvertisement

Walau bagaimanapun, tiada alat ini membenarkan kawalan anggota badan sendiri.

"Peranti kami membolehkan pengguna memindahkan anggota badannya sendiri dengan berfikir," jelas Ajiboye. "Saya ingin menjelaskan bahawa sistem kami mengelakkan kecederaan tulang belakang, dan bukannya melumpuhkan kelumpuhan. Tanpa sistem, pengguna masih lumpuh, dan tidak ada bukti untuk menunjukkan bahawa penggunaan sistem ini akhirnya akan menyebabkan pertumbuhan semula tulang belakang, atau akan memperkenalkan semula keupayaan untuk bergerak tanpa sistem. "

Baca lebih lanjut: Implant membantu orang lumpuh menggunakan semula anggota badan mereka»

Bagaimana teknologi berfungsi

Kenapa teknologi Case Western unik?

Sistem ini adalah yang pertama menggunakan kedua-dua komputer antara implan otak dengan sistem FES untuk mengaktifkan otot lumpuh secara elektrik.

Sebelum ini, saintis telah merawat beberapa orang yang mengalami lumpuh tetapi hanya dengan satu pendekatan atau yang lain.

Kochevar adalah orang pertama yang mengalami teknologi gabungan ini.

Ajiboye berkata banyak kumpulan penyelidikan telah menggunakan sistem antara muka otak dengan manusia dan dengan primata bukan manusia. Kedua-dua kumpulan ujian dapat melakukan tugas seperti menggerakkan kursor pada skrin komputer atau melancarkan lengan robot.

"Pusat FES kami selama 25 hingga 30 tahun yang lalu telah menanamkan sistem FES pada orang yang mengalami kecederaan saraf tunjang untuk memulihkan beberapa fungsi, termasuk berdiri, berjalan, bernafas, dan pergerakan tangan dan lengan," katanya.

Kochevar menyertai projek penyelidikan Case Western pada tahun 2014. Dia menerima implan otaknya pada bulan Disember tahun itu.Pada tahun 2015, Kirsch, Ajiboye, dan rakan-rakan mereka memasang elektrod dalam otot-otot lengan dan tangannya.

Kochevar belajar untuk mengaktifkan isyarat otaknya untuk mengawal peranti yang berbeza.

"Kami mula-mula menyaksikan langkah lengan maya pada skrin komputer, sementara dia bayangkan pada masa yang sama membuat pergerakan yang sama dengan lengannya sendiri," kata Ajiboye. "Ini menghasilkan corak aktiviti saraf. Kami kemudiannya membangunkan sebuah penyahkod saraf, sebuah algoritma matematik yang berkaitan dengan corak aktiviti neural yang dihasilkan dengan aspek pergerakan lengan maya. "

Seterusnya, mereka telah mengendalikan Kochevar lengan maya dengan menghasilkan pola isyarat otak yang kemudian ditafsirkan oleh penyahkod saraf, kata Ajiboye.

Kochevar dilatih untuk memindahkan lengan maya dengan tepat ke sasaran tertentu di ruang kerja. Para saintis mengukur kawalan otaknya terhadap lengan maya, dan mendapati bahawa dia dapat mengawalnya dengan segera, kata Ajiboye. Di samping itu, Kochevar dengan cepat mencapai kadar kejayaan 95 hingga 100 peratus ketepatan sasaran.

Akhirnya, para saintis telah cuba untuk menggerakkan tangannya melalui stimulasi FES dalam proses dua langkah.

"Kami secara manual memindahkan lengannya (melalui rangsangan elektrik) dan mengarahkan beliau untuk membayangkan bahawa dia mengawal pergerakan lengannya," kata Ajiboye. "Sekali lagi, ini membantu menghasilkan corak aktiviti neural yang diingini, yang kami gunakan untuk membina dan menyempurnakan penyahkod saraf kami. Kami telah menggunakan dekoder saraf akhir untuk memerintahkan pergerakan lengannya sendiri, dihidupkan semula melalui rangsangan elektrik. Dia mampu menggerakkan lengannya dengan segera seperti yang dikehendaki, dan semakin bertambah dengan penggunaan yang semakin meningkat. "

Dalam video yang dikeluarkan oleh Case Western, Kochevar berkata," Ia luar biasa kerana saya fikir memindahkan lengan saya dan ia dilakukan. Saya boleh bergerak masuk dan keluar, naik dan turun. "

Sejak Kochevar mempunyai kelumpuhan jangka panjang, ototnya pada mulanya lemah dan mudah lelah. Ajiboye berkata.

Untuk membina kekuatan otot dan ketahanan terhadap keletihan, pasukan itu "menjalankan" ototnya selama beberapa jam sehari menggunakan rangsangan elektrik tanpa sistem antara muka otak.

Seiring berjalannya waktu, senaman elektrik yang dirangsang ini meningkatkan kekuatan ototnya dan keupayaannya untuk menggunakan sistem lebih lama tanpa keletihan.

Baca lebih lanjut: Manusia mendapat semula kemampuan berjalan dengan menggunakan gelombang otaknya sendiri

Antara muka otak-komputer

Seperti inovasi Barat Case, inovasi Negeri Ohio membantu seorang lelaki dengan quadriplegia untuk menggunakan tangannya selepas bertahun-tahun lumpuh.

Pasukan penyelidikan itu diketuai oleh Dr. Ali Rezai, seorang profesor neurosurgeri dan neurosains, dan pengarah Pusat Neuromodulasi di Pusat Perubatan Wexner universiti.

Pesakit, Ian Burkhart, mengalami kecederaan saraf tunjang pada usia 19 semasa kemalangan menyelam. Ia meninggalkannya dengan sedikit fungsi dan pergerakan di bahunya dan bisep, dan tiada pergerakan dari siku pada tangannya.

"Pasukan kami telah membangunkan teknologi antara muka komputer otak yang memintas korda tulang belakang yang rosak, yang membolehkan pesakit seperti Ian dengan kecederaan saraf tunjang dan quadriplegia dan tiada fungsi tangannya selama lima tahun untuk hanya menggunakan fikirannya untuk memindahkannya tangan yang tidak bermaya untuk menjadi hidup dan di bawah kendaliannya, "kata Rezai kepada Healthline.

Nick Annetta, betul, dari Battelle, jam tangan sebagai Ian Burkhart, 24, memainkan permainan video gitar menggunakan tangan lumpuhnya. Sumber Imej: Ohio State University Pusat Perubatan Wexner / Battelle

Pada bulan April 2014, Rezai menanam sebuah mikrocip saiz kepala pemadam pensil di permukaan korteks motor otak Burkhart. 96 mikroelekrofil cip merekodkan tembakan neuron individunya.

Rezai dan rakan-rakannya mengembangkan sistem pintasan saraf, yang merekodkan dan menganalisis aktiviti otak yang berlaku apabila Burkhart bercadang untuk menggerakkan tangannya.

Selepas memintas korda tulang belakang yang rosak dan sambungan yang rosak dari otak ke saraf otot, sistem mengaitkan isyarat otak Burkhart dengan lengan pakaian luaran, kata Rezai.

Ini membolehkan Burkhart untuk menggerakkan tangannya.

"Rekod implan otak dan menafsirkan isyarat otak yang dikaitkan dengan pemikiran, dan menghubungkannya dengan pakaian lengan yang mudah pakai luaran untuk mengawal ototnya," jelas Rezai. "Ia adalah sistem rangsangan neuromuskular. Pemikiran yang berkaitan dengan niat untuk bergerak - contohnya membuka tangan - dikaitkan dan dihubungkan dalam milisaat ke pergerakan tangan berfungsi sebenar. "

Generasi pertama pakaian dan sistem rangsangan lengan pakai luaran yang boleh dilepaskan, katanya, mempunyai 160 elektrod merangsang" yang terdiri daripada hidrogel super fleksibel - pelbagai elektrod yang mempunyai resolusi tinggi, resolusi tinggi yang sesuai dengan bentuk yang berbeza dan kontur seperti lengan bawah. "

Pakaian boleh dibentuk menjadi lengan, sarung tangan, kaus kaki, seluar, tali pinggang, kepala band, dan faktor bentuk lain.

"Kerumitan dan penyelarasan penting diperlukan untuk membolehkan pergerakan dengan cara yang licin untuk mengambil pengaduk untuk mencetuskan kopi, menggunakan berus gigi, atau bermain permainan video," katanya. "Algoritma pembelajaran mesin ini memperbaiki dan memperbaiki gerakan dari gerakan yang kasar dan licik, untuk pergerakan yang lebih lancar dan cair. "

Baca lebih lanjut: Teknologi Bionik yang membantu memulihkan kawalan otot»

Optimisme untuk masa depan

Para pakar neurosisi yang memerhatikan terobosan baru-baru ini terkesan dan optimis.

Joseph O'Doherty, PhD, seorang pegawai pasca doktoral kanan di Philip Sabes Lab di University of California, San Francisco, Centre for Neuroscience Integratif, menyebut kemajuan baru-baru ini dalam teknologi antara muka otak-komputer "groundbreaking. "

" Penyelidikan ini menunjukkan bahawa anggota tubuh yang lumpuh boleh diimbangi semula - oleh pemikiran sahaja - untuk memulihkan pergerakan multi-bersama yang diselaraskan untuk kehidupan seharian: mencapai, menggenggam, makan, dan minum, "katanya kepada Healthline. "Ini adalah demonstrasi bukti-prinsip yang menimbulkan kemungkinan bahawa terapi serupa tidak lama lagi akan dapat memperoleh pengangkatan di luar klinik. "

Para saintis telah bekerja pada antarmuka otak-komputer, dalam beberapa bentuk atau yang lain, sejak akhir tahun 1960-an, katanya. Bidang ini telah berkembang dari kawalan kursor komputer, untuk memindahkan kerusi roda dan lengan robot, sekarang, menegakkan semula kawalan sukarela ke atas anggota badan.

"Kecederaan tali tulang belakang sering merosakkan sentuhan serta kemampuan untuk bergerak," kata O'Doherty. "Memulihkan sensasi anggota akan menjadi unsur penting neuroprosthes yang membenarkan pergerakan cecair dan semula jadi. "

" Masih banyak cabaran yang dapat diatasi, "tambahnya," tetapi hasil baru ini, digabungkan dengan banyak kemajuan yang berkaitan dengan teknologi tanpa wayar, teknologi bateri, sains bahan, dan banyak lagi, membuat saya sangat optimis mengenai peranti neuroprostetik untuk memulihkan pergerakan dan sensasi menjadi tersedia secara meluas. "

Inovasi ini menawarkan harapan dan potensi untuk pemulihan pergerakan dan peningkatan kemerdekaan kepada banyak pesakit yang hidup dengan kelumpuhan atau ketidakupayaan fizikal yang lain. Dr. Ali Rezai, Pusat Perubatan Wexner, State University of Ohio

Rezai berkata, 12,000 individu di Amerika Syarikat setiap tahun menanggung kecederaan saraf tunjang, dan 300, 000 hidup dengan kecederaan seperti kecelakaan, trauma, kecederaan sukan, dan jatuh.

Kurang daripada 1 peratus mencapai pemulihan penuh, dan kebanyakannya mempunyai defisit yang bergantung pada pelbagai teknologi bantuan dan penyesuaian untuk menyediakan tahap kebebasan yang terhad.

"Inovasi ini menawarkan harapan dan potensi untuk pemulihan pergerakan dan peningkatan kemerdekaan kepada banyak pesakit yang hidup dengan lumpuh atau ketidakupayaan fizikal yang lain," kata Rezai. "Selain peningkatan motor, teknologi ini mempunyai implikasi yang berpotensi bagi mereka yang mengalami defisit deria, sakit kronik, ucapan, stroke, kognitif, kebimbangan, dan implikasi tingkah laku. "

Rezai berkata beliau berharap agar tidak lama lagi mereka yang mempunyai kecacatan fizikal, deria, kognitif, dan lain-lain akan mempunyai peluang untuk menjadi lebih berfungsi, mempunyai lebih banyak kemerdekaan, dan kualiti kehidupan yang lebih baik.

"Matlamat kami adalah untuk menjadikan teknologi ini kurang invasif, mengurangkan saiz peranti, mengawetkan sensor, membuat sistem tanpa wayar, dan menyediakan sistem di rumah dan bukannya di makmal," katanya.

Pasukan Kes Barat juga sedang berusaha untuk memajukan sistemnya secara teknologi.

"Kita perlu membangunkan antara muka otak tanpa wayar untuk menggantikan kabel yang menghubungkan pengguna ke set komputer rakaman," kata Ajiboye. "Kita perlu meningkatkan implan otak untuk jangka hayat panjang, untuk meningkatkan jumlah neuron yang dapat kita rekod, dan untuk membangunkan antara muka otak yang sepenuhnya ditanamkan dan sistem stimulasi elektrik yang berfungsi. "