Hoe hersenimplantaten verlamde mensen opnieuw kunnen laten bewegen

Iets zo eenvoudig als het oppakken van een kopje thee vereist heel veel actie van je lichaam. Je armspieren schieten om je arm naar de beker te bewegen. Je vingerspieren schieten om je hand te openen en buig je vingers rond het handvat. Je schouderspieren voorkomen dat je arm uit je schouder schiet en je kernspieren zorgen ervoor dat je niet kantelt vanwege het extra gewicht van de cup. Al deze spieren moeten op een nauwkeurige en gecoördineerde manier schieten, en toch is je enige bewuste inspanning de gedachte: "Ik weet het: thee!"

Daarom is het zo moeilijk om een ​​verlamde ledemaat weer te laten bewegen. De meeste verlamde spieren kunnen nog steeds werken, maar hun communicatie met de hersenen is verloren gegaan, dus ze ontvangen geen instructies om te vuren. We kunnen schade aan het ruggenmerg nog niet herstellen, dus één oplossing is om het te omzeilen en de instructies voor de spieren kunstmatig te geven. En dankzij de ontwikkeling van technologie voor het lezen en interpreteren van hersenactiviteit, zouden deze instructies op een dag rechtstreeks van de geest van een patiënt kunnen komen.

We kunnen verlamde spieren laten vuren door ze te stimuleren met elektroden in de spieren of rond de zenuwen die hen voorzien, een techniek die bekend staat als functionele elektrische stimulatie (FES). Naast het helpen verplaatsen van verlamde mensen, wordt het ook gebruikt om de blaasfunctie te herstellen, effectieve hoestbuien te veroorzaken en pijnverlichting te bieden. Het is een fascinerende technologie die een groot verschil kan maken voor het leven van mensen met een dwarslaesie.

Dimitra Blana en haar collega's bij Keele werken aan het afstemmen van deze technologie op de complexe set instructies die nodig zijn om een ​​arm te bedienen. Als je dat kopje thee wilt halen, welke spieren moeten dan schieten, wanneer en door hoeveel? De instructies voor het schieten zijn gecompliceerd, en niet alleen vanwege het grote aantal betrokken kern-, schouder-, arm- en vingerspieren. Terwijl je langzaam je thee drinkt, veranderen die instructies, omdat het gewicht van de beker verandert. Om iets anders te doen, zoals krabben aan je neus, zijn de instructies compleet anders.

In plaats van alleen verschillende vuurpatronen op de verlamde spieren uit te proberen in de hoop er een te vinden die werkt, kun je die gebruiken computermodellen van het bewegingsapparaat om ze te berekenen. Deze modellen zijn wiskundige beschrijvingen van hoe spieren, botten en gewrichten werken en communiceren tijdens beweging. In de simulaties kun je de spieren sterker of zwakker maken, "verlamd" of "extern gestimuleerd". Je kunt verschillende bakpatronen snel en veilig testen, en je kunt ervoor zorgen dat de modellen hun theekopjes steeds opnieuw oppakken, soms met meer succes dan andere.


innerlijk abonneren grafisch


Modellering van de spieren

Om de technologie te testen, werkt het team van Keele met de Cleveland FES Center in de VS, waar ze implanteren tot 24-elektroden in de spieren en zenuwen van onderzoeksdeelnemers. Ze gebruiken modellering om te beslissen waar de elektroden worden geplaatst, omdat er meer verlamde spieren zijn dan elektroden in de huidige FES-systemen.

Als je moet kiezen, is het dan beter om de subscapularis of de supraspinatus te stimuleren? Als je de okselzenuw stimuleert, moet je dan de elektrode voor of na de tak naar de teres minor plaatsen? Om deze moeilijke vragen te beantwoorden, ze voeren simulaties uit met verschillende sets elektroden en kies degene die de computermodellen toelaat om de meest effectieve bewegingen te maken.

{Youtube} 1GKfWow6aFA {youtube}

Momenteel werkt het team aan de schouder, die wordt gestabiliseerd door een groep spieren, de rotatormanchet. Als je de instructies voor het afvuren van de arm verkeerd krijgt, kan deze de soeplepel bereiken in plaats van het botermes. Als u de instructies voor de rotatormanchet verkeerd krijgt, kan de arm uit de schouder springen. Het is geen goede kijk voor de computermodellen, maar ze klagen niet. Onderzoeksdeelnemers zouden minder vergevingsgezind zijn.

Weten hoe je verlamde spieren kunt activeren om bruikbare bewegingen zoals grijpen te produceren, is slechts de helft van het probleem. We moeten ook weten wanneer de spieren moeten worden geactiveerd, bijvoorbeeld wanneer de gebruiker een voorwerp wil oppakken. Een mogelijkheid is om deze informatie rechtstreeks uit de hersenen te lezen. Kort geleden, onderzoekers in de VS. gebruikte een implantaat om naar individuele cellen in de hersenen van een verlamd individu te luisteren. Omdat verschillende bewegingen geassocieerd zijn met verschillende patronen van hersenactiviteit, kon de deelnemer een van de zes voorgeprogrammeerde bewegingen selecteren die vervolgens werden gegenereerd door stimulatie van handspieren.

De hersenen lezen

Dit was een spannende stap voorwaarts op het gebied van neurale protheses, maar er zijn nog veel uitdagingen. In het ideale geval moeten hersenimplantaten vele decennia meegaan - momenteel is het moeilijk om dezelfde signalen zelfs over meerdere weken op te nemen, dus deze systemen moeten regelmatig opnieuw worden gekalibreerd. Gebruik makend van nieuwe implantaatontwerpen or verschillende hersensignalen kan de stabiliteit op lange termijn verbeteren.

Ook luisteren implantaten alleen naar een klein deel van de miljoenen cellen die onze ledematen bedienen, zodat het bereik van uit te lezen bewegingen beperkt is. Echter, hersencontrole van robotachtige ledematen met meervoudige graden van vrijheid (beweging, rotatie en grijpen) is bereikt en de mogelijkheden van deze technologie vorderen snel.

Ten slotte worden de vloeiende, moeiteloze bewegingen die we gewoonlijk als vanzelfsprekend beschouwen, gestuurd door rijke sensorische feedback die ons vertelt waar onze armen zich in de ruimte bevinden en wanneer onze vingertoppen voorwerpen raken. Deze signalen kunnen echter ook na een blessure verloren gaan onderzoekers werken op hersenimplantaten die op een dag zowel sensatie als beweging kunnen herstellen.

Sommige wetenschappers speculeren dat hersenleestechnologie valide mensen kan helpen om efficiënter met computers, mobiele telefoons en zelfs te communiceren rechtstreeks naar andere hersenen. Dit blijft echter het domein van de science fiction, terwijl hersencontrole voor medische toepassingen snel klinische realiteit wordt.

Over de Auteurs

Dimitra Blana, Research Fellow in Biomedical Engineering, Keele University

Andrew Jackson, Wellcome Trust Senior Research Fellow, Universiteit van Newcastle

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees de originele artikel.

Verwante Boeken

at InnerSelf Market en Amazon