Wetenschappers hebben een draadloze "hersen-ruggengraat-interface" gebruikt om ruggenmergletsel te omzeilen in een paar rhesusmakaken, waardoor opzettelijke loopbewegingen worden hersteld naar een tijdelijk verlamde poot.

Onderzoekers zeggen dat dit de eerste keer is dat een neurale prothese is gebruikt om de loopbeweging direct naar de benen van niet-menselijke primaten te herstellen.

"Het systeem dat we hebben ontwikkeld maakt gebruik van signalen uit de motorische cortex van de hersenen om gecoördineerde elektrische stimulatie van zenuwen in de wervelkolom te veroorzaken die verantwoordelijk zijn voor de voortbeweging", zegt David Borton, universitair docent techniek aan de Brown University en co-lead auteur van de studie. "Met het systeem ingeschakeld, hadden de dieren in onze studie bijna een normale voortbeweging."

Het werk kan helpen bij het ontwikkelen van een soortgelijk systeem dat is ontworpen voor mensen die ruggenmergletsel hebben gehad.

Breng de communicatie tot stand

"Er zijn aanwijzingen dat een hersenkelet stimulatiesysteem de revalidatie na een dwarslaesie kan verbeteren," zegt Borton. "Dit is een stap in de richting van het verder testen van die mogelijkheid."

Grégoire Courtine, een professor aan de Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL) die de samenwerking leidde, is in Zwitserland begonnen met klinische proeven om het ruggedeelte van de interface te testen. Hij waarschuwt: "Er liggen veel uitdagingen in het verschiet en het kan enkele jaren duren voordat alle componenten van deze interventie in mensen kunnen worden getest."

Lopen is mogelijk vanwege een complex samenspel tussen neuronen in de hersenen en het ruggenmerg. Elektrische signalen die afkomstig zijn van de motorische cortex van de hersenen, gaan naar het lumbale gebied in het onderste ruggenmerg, waar ze motorneuronen activeren die de beweging coördineren van spieren die verantwoordelijk zijn voor het strekken en buigen van het been.

Verwonding van de bovenste wervelkolom kan de communicatie tussen de hersenen en het onderste ruggenmerg afsnijden. Zowel de motorische cortex en de spinale neuronen kunnen volledig functioneel zijn, maar ze kunnen hun activiteit niet coördineren. Het doel van de studie was om een ​​deel van die communicatie te herstellen.

De interface tussen hersenen en wervelkolom maakt gebruik van een elektrodestelsel van het formaat pil dat in de hersenen is geïmplanteerd om signalen van de motorische cortex te registreren. De sensortechnologie is gedeeltelijk ontwikkeld voor onderzoek bij de mens door de BrainGate-samenwerking, een onderzoeksteam dat bestaat uit Brown, Case Western Reserve University, Massachusetts General Hospital, het Providence VA Medical Center en Stanford University.

De technologie wordt gebruikt in doorlopende klinische pilotstudies en werd eerder gebruikt in a studies geleid door Brown neuro-ingenieur Leigh Hochberg waarin mensen met tetraplegia in staat waren om een ​​robotarm te bedienen door simpelweg te denken aan de beweging van hun eigen hand.

Een draadloze neurosensor, ontwikkeld in het neuro-engineeringlaboratorium van de Brown-professor Arto Nurmikko door een team dat Borton omvat, stuurt de signalen die door de hersenchip worden verzameld draadloos naar een computer die ze decodeert en stuurt ze draadloos terug naar een elektrische spinale stimulator die in de lumbale is geïmplanteerd wervelkolom, onder het letselgebied. Die elektrische stimulatie, afgeleverd in patronen gecoördineerd door de gedecodeerde hersenen, signalen naar de spinale zenuwen die de motoriek besturen.

Om het decoderen van hersensignalen te kalibreren, implanteerden de onderzoekers de hersensensor en draadloze zender in gezonde makaken. De signalen die door de sensor worden doorgegeven, kunnen vervolgens op de beenbewegingen van de dieren worden afgebeeld. Ze toonden aan dat de decoder in staat was om de hersenaandoeningen geassocieerd met extensie en flexie van beenspieren nauwkeurig te voorspellen.

Draadloos is cruciaal

Het vermogen om hersensignalen draadloos door te geven was cruciaal voor dit werk, zegt Borton. Bekabelde hersensensoren beperken de bewegingsvrijheid, wat op zijn beurt de informatie beperkt die onderzoekers kunnen verzamelen over voortbeweging.

"Door dit draadloos te doen, kunnen we de neurale activiteit in normale contexten en tijdens natuurlijk gedrag in kaart brengen," zegt Borton. "Als we echt streven naar neuroprothesen die ooit kunnen worden ingezet om menselijke patiënten te helpen tijdens activiteiten in het dagelijks leven, zullen dergelijke ongebonden opnametechnologieën van cruciaal belang zijn."

Voor het huidige werk, gepubliceerd in NATUUR, De onderzoekers combineerden hun begrip van hoe hersensignalen motoriek beïnvloeden met spinale kaarten, ontwikkeld door het lab van Courtine bij EPFL, dat de neurale hotspots in de wervelkolom identificeerde die verantwoordelijk zijn voor de locomotorische controle. Dat stelde het team in staat om de neurale circuits te identificeren die door het spinale implantaat zouden moeten worden gestimuleerd.

Met deze stukken op hun plek, testten de onderzoekers vervolgens het hele systeem op twee makaken met laesies die de helft van het ruggenmerg in hun thoracale wervelkolom overspanden. Macaques met dit type verwonding herstellen over het algemeen functionele controle van het aangedane been over een periode van een maand of zo, zeggen de onderzoekers. Het team testte hun systeem in de weken na het letsel, toen er nog steeds geen controle over de patiënt was over het getroffen been.

De bevindingen tonen aan dat met het systeem ingeschakeld, de dieren spontaan hun benen begonnen te bewegen tijdens het lopen op een loopband. Kinematische vergelijkingen met gezonde controles lieten zien dat de beschadigde makaken, met behulp van hersengecontroleerde stimulatie, bijna normale locomotorepatronen konden produceren.

Hoewel het aantoont dat het systeem werkt in een niet-menselijke primaat is een belangrijke stap, benadrukken de onderzoekers dat er nog veel werk moet worden verzet om het systeem bij mensen te testen. Ze wezen ook op verschillende beperkingen in het onderzoek.

Terwijl het systeem dat in dit onderzoek werd gebruikt met succes signalen van de hersenen naar de wervelkolom doorstuurde, ontbrak het bijvoorbeeld aan de mogelijkheid om sensorische informatie naar de hersenen terug te sturen. Het team kon ook niet testen hoeveel druk de dieren op het aangedane been konden uitoefenen. Hoewel het duidelijk was dat de ledemaat enig gewicht had, was het niet duidelijk uit dit werk hoeveel.

"In een volledige translationele studie willen we meer kwantificeren over hoe evenwichtig het dier is tijdens het lopen en de krachten meten die ze kunnen toepassen", zegt Borton.

Ondanks de beperkingen, zet het onderzoek het podium voor toekomstige studies bij primaten en op een gegeven moment mogelijk als rehabilitatiehulpmiddel bij de mens.

"Er is een adagium in de neurowetenschappen dat circuits die samen vuren bedekken", zegt Borton. "Het idee hier is dat door de hersenen en het ruggenmerg aan elkaar te koppelen, we mogelijk de groei van circuits tijdens revalidatie kunnen verbeteren. Dat is een van de belangrijkste doelen van dit werk en een doel op dit gebied in het algemeen. "

De financiering kwam van het zevende kaderprogramma van de Europese Gemeenschap, de International Foundation for Research in Paralysis Fund Starting Grant van de European Research Council, het Wyss Centre in Genève Marie Curie Fellowship, Marie Curie COFUND EPFL fellowships, Medtronic Morton Cure Paralysis Fund fellowship, NanoTera.ch Programma, National Center of Competence in Research in Robotics Sinergia-programma, Sino-Swiss Science and Technology Cooperation, en de Swiss National Science Foundation.

Bron: Brown University

{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}

Related Books:

at InnerSelf Market en Amazon