Verlamming en Brain Bypass-chirurgie

Wetenschappelijke doorbraken in de hersencomputerinterfacetechnologie kunnen nieuwe hoop bieden op het overwinnen van verlamming.

In het laatste geval kreeg een man met een quadriplegie die acht jaar geleden verlamd was opnieuw functionele beweging van zijn arm.

AdvertentieAdvertentie

Hij voedde zichzelf met zijn hand met behulp van deze technologie, een primeur in de medische geschiedenis.

Onderzoekers van Case Western Reserve University in Ohio maakten hun bevindingen bekend op 28 maart in het Britse medische tijdschrift The Lancet.

De aankondiging van Case Western was de dag nadat ondernemer Elon Musk (van de elektrische auto en raketbedrijf SpaceX van Tesla) plannen openbaarde om een ​​vergelijkbare technologie te ontwikkelen.

Advertentie

Musk's "neurale kant", volgens een rapport in The Wall Street Journal, zou de hersenen van een persoon rechtstreeks verbinden met een computer.

Ondertussen werken wetenschappers van de Ohio State University (OSU) met een patiënt met verlamming en hebben ze een technologie ontwikkeld die vergelijkbaar is met die bij Case Western.

advertisementAdvertisement

Het OSU-team ontwikkelt de technologie met wetenschappers van het Battelle Memorial Institute, een non-profitorganisatie in Ohio die medische apparaten maakt.

Lees meer: ​​Exoskeletten helpen mensen met verlamming weer lopen »

Hersensignalen decoderen

De onderzoekers van Case Western werken samen met Bill Kochevar, een 53-jarige met quadriplegie die gewond raakte bij een fietsongeval.

De onderzoekers implanteerden een neuroprothese die zijn hersensignalen decodeerde en doorstuurde naar sensoren in zijn arm, waardoor hij weer beweging kreeg in zijn hand en arm.

Robert Kirsch, PhD, voorzitter van de Case Western Department of Biomedical Engineering, uitvoerend directeur van het Functioneel Elektrische Stimulatiecentrum (FES) van de universiteit, is senior auteur van het onderzoek.

AdvertentieAdvertisement

Hij noemde de doorbraak een grote stap.

"We hebben de haalbaarheid getoond van het vastleggen van iemands bewegingsintenties en vervolgens het maken van hun eigen arm om die bewegingen te maken," zei hij.

Hij denkt er gewoon aan om zijn arm te bewegen en de arm beweegt zich zoals hij wil. Bolu Ajiboye, Case Western Reserve University

Kirsch's collega Bolu Ajiboye, PhD, een assistent-professor in biomedische technologie bij Case Western, en onderzoeksmedewerker bij het Louis Stokes Cleveland Veterans Administration Medical Center, legde uit hoe de technologie werkt.

Advertentie

"Normale beweging bij onbekwame personen vindt plaats omdat de motorcortex een bewegingscommando genereert, voorgesteld als elektrische signalen, dat door het ruggenmerg wordt gevoerd en vervolgens de juiste spieren activeert," vertelde Ajiboye aan Healthline.

Een dwarslaesie voorkomt dat die elektrische impulsen de spieren bereiken, legde hij uit, maar het oorspronkelijke bewegingscommando is nog steeds goed gecodeerd in de patronen van elektrische activiteit van de hersenen.

AdvertentieAdvertisement

"Ons systeem registreert het patroon van elektrische activiteit via het hersenimplantaat en gebruikt wiskundige algoritmen om het te decoderen in een bewegingscommando dat is bedoeld door de persoon met verlamming. Die opdracht wordt omgezet in een elektrisch stimulatiepatroon dat op de juiste groep spieren wordt toegepast om de beweging te produceren. Voor meneer Kochevar is het proces naadloos en onzichtbaar. In zijn woorden zegt hij dat hij er gewoon aan denkt zijn arm te bewegen en de arm beweegt zoals hij van plan is. "

Ajiboye wees ook op wat deze nieuwe technologie niet is.

De wetenschap heeft vele malen geprobeerd om een ​​beschadigde ruggengraat te 'repareren' door weefseltechnologie en hergroei zonder succes, zei hij.

Advertentie

"We zouden graag zien dat wetenschappers een manier vinden om het ruggenmerg opnieuw te laten groeien en opnieuw te verbinden met celtherapieën," zei Ajiboye. "Onze huidige aanpak maakt echter gebruik van technologie om de wervelkolombeschadiging te omzeilen om de bewegingssignalen van de hersenen naar de juiste set spieren te krijgen om de beweging te produceren. "

Andere technologieën die mensen met verlamming helpen om hun functie terug te krijgen, zijn doorgaans beperkt tot apparaten die ze kunnen bedienen met hun stemmen en oogbewegingen, of door hun hoofd te bewegen.

Advertentie-advertentie

Geen van deze apparaten staat echter controle over het eigen ledematen toe.

"Ons apparaat stelt een gebruiker in staat om zijn eigen ledemaat te verplaatsen door gewoon te denken," legde Ajiboye uit. "Ik wil duidelijk maken dat ons systeem wervelletsel omzeilt, in plaats van het omkeren van verlamming. Zonder het systeem zou de gebruiker nog steeds verlamd zijn en er zijn geen aanwijzingen dat het gebruik van dit systeem uiteindelijk zou resulteren in de hergroei van de wervelkolom, of zou het vermogen om te bewegen zonder het systeem opnieuw introduceren. "

Lees meer: ​​Implant helpt mensen met verlamming hun ledematen terug te krijgen»

Hoe de technologie werkt

Waarom is de Case Western-technologie uniek?

Het systeem is de eerste die zowel een hersenimplantatie-computerinterface met een FES-systeem gebruikt om verlamde spieren elektrisch te activeren.

Voordien behandelden wetenschappers een aantal mensen met verlamming, maar met slechts één benadering of de andere.

Kochevar is de eerste persoon die deze gecombineerde technologie ervaart.

Ajiboye zei dat veel onderzoeksgroepen het herseninterfacesysteem met mensen en met niet-menselijke primaten hebben gebruikt. Beide testgroepen waren in staat om taken uit te voeren zoals het verplaatsen van cursors op een computerscherm of bewegende robotarmen.

"Ons FES-centrum heeft de afgelopen 25 tot 30 jaar FES-systemen geïmplanteerd bij mensen met letsel aan het ruggenmerg om een ​​aantal functies te herstellen, waaronder staan, lopen, ademhalen en hand- en armbewegingen," zei hij.

Kochevar vervoegde het Case Western-onderzoek in 2014. Hij ontving zijn hersenimplantaten in december van dat jaar.In 2015 implanteerden Kirsch, Ajiboye en hun collega's elektroden in de spieren van zijn arm en hand.

Kochevar leerde zijn hersensignalen te activeren om verschillende apparaten te besturen.

'We hadden hem eerst laten zien hoe een virtuele arm op een computerscherm bewoog, terwijl hij zich tegelijkertijd voorstelde dezelfde bewegingen met zijn eigen arm te maken,' zei Ajiboye. "Dit genereerde patronen van neurale activiteit. We ontwikkelden vervolgens een neurale decoder, een wiskundig algoritme dat de gegenereerde patronen van neurale activiteit relateerde aan aspecten van de virtuele armbewegingen. "

Vervolgens liet Kochevar de virtuele arm besturen door patronen van hersensignalen te genereren die vervolgens werden geïnterpreteerd door de neurale decoder, zei Ajiboye.

Kochevar is getraind om de virtuele arm nauwkeurig te verplaatsen naar opgegeven doelen in de werkruimte. De wetenschappers kwantificeerden zijn hersencontrole van de virtuele arm en ontdekten dat hij deze vrijwel onmiddellijk kon beheersen, zei Ajiboye. Bovendien behaalde Kochevar relatief snel een slagingspercentage van 95 tot 100 procent van de doelnauwkeurigheid.

Uiteindelijk hebben de wetenschappers Kochevar geprobeerd zijn arm door FES-stimulatie te bewegen in een proces van twee stappen.

"We hebben zijn arm handmatig verplaatst (via elektrische stimulatie) en hem opgedragen zich voor te stellen dat hij de controle had over zijn armbewegingen," zei Ajiboye. "Nogmaals, dit hielp bij het genereren van de gewenste patronen van neurale activiteit, die we gebruikten om onze neurale decoder te bouwen en te verfijnen. We hadden hem de laatste neurale decoder laten gebruiken om de bewegingen van zijn eigen arm te bevelen, gereanimeerd door elektrische stimulatie. Hij was in staat om onmiddellijk zijn arm naar wens te bewegen en is geleidelijk beter geworden met meer gebruik. "

In een video vrijgegeven door Case Western, Kochevar zei:" Het was geweldig, want ik dacht over het verplaatsen van mijn arm en dat deed. Ik zou het in en uit kunnen verplaatsen, op en neer. Omdat Kochevar langdurig verlamd was, waren zijn spieren aanvankelijk zwak en gemakkelijk vermoeid. Ajiboye zei.

Om zijn spierkracht en weerstand tegen vermoeidheid op te bouwen, "oefende het team" zijn spieren enkele uren per dag met behulp van elektrische stimulatie zonder het interface-systeem voor hersenen.

Na verloop van tijd verhoogde deze elektrisch gestimuleerde oefening zijn spierkracht en zijn vermogen om het systeem langer te gebruiken zonder vermoeid te raken.

Lees meer: ​​Man herwint wandelvermogen door zijn eigen hersengolven te gebruiken.

Brain-computer interfaces

Net als de innovaties van Case Western hielp de Ohio State innovatie een man met quadriplegie om zijn hand te gebruiken na jaren van verlamming.

Het onderzoeksteam stond onder leiding van Dr. Ali Rezai, hoogleraar neurochirurgie en neurowetenschap, en directeur van het Center for Neuromodulation aan het Wexner Medical Center van de universiteit.

De patiënt, Ian Burkhart, liep op 19-jarige leeftijd een ernstige dwarslaesie op tijdens een duikongeval. Het liet hem met weinig functie en beweging in zijn schouders en biceps, en geen beweging van zijn ellebogen naar zijn handen.

"Ons team heeft een hersencomputerinterfacetechnologie ontwikkeld die het beschadigde ruggenmerg overslaat, waardoor een patiënt als Ian met ruggenmergletsel en quadriplegie en zonder functie van zijn handen gedurende vijf jaar eenvoudig zijn gedachten kan gebruiken om zijn levenloze hand om tot leven te komen en onder zijn volitional control, "vertelde Rezai aan Healthline.

Nick Annetta, rechts, van Battelle, kijkt toe hoe Ian Burkhart, 24, een gitaarvideogame speelt met zijn verlamde hand. Bron afbeelding: Ohio State University Wexner Medical Center / Battelle

In april 2014 implanteerde Rezai een microchip ter grootte van de kop van een potloodwisser op het oppervlak van de motorische cortex van het brein van Burkhart. De 96 micro-elektroden van de chip registreerden het afvuren van zijn individuele neuronen.

Rezai en zijn collega's ontwikkelden het neurale bypass-systeem, dat de hersenactiviteit vastlegt en analyseert die plaatsvindt wanneer Burkhart van plan is zijn hand te bewegen.

Na het beschadigen van het ruggenmerg en de beschadigde verbinding van de hersenen naar de spierzenuwen, koppelt het systeem het hersensignaal van Burkhart aan een externe kledinghoes, aldus Rezai.

Hierdoor kan Burkhart zijn hand bewegen.

"Het hersenimplantaat registreert en interpreteert hersensignalen die verband houden met gedachten, en koppelt deze aan een extern, draagbaar mouwstuk om zijn spieren onder controle te houden," legt Rezai uit. "Het is een neuromusculair stimulatiesysteem. De gedachten die samenhangen met een intentie om te bewegen - bijvoorbeeld het openen van de hand - zijn binnen milliseconden gekoppeld en verbonden met daadwerkelijke functionele handbewegingen. "

De eerste generatie van het uitwendige draagbare kledingstuk en stimulatiesysteem, zei hij, heeft tot 160 stimulerende elektroden" samengesteld uit super flexibele hydrogel - een high-definition, hoge resolutie array van elektroden die zich aanpassen aan verschillende vormen en contouren zoals de onderarm. "

Het kledingstuk kan worden gevormd in een mouw, een handschoen, een sok, broek, riem, hoofdband en andere vormfactoren.

"Significante complexiteit en coördinatie zijn nodig om bewegingen op een vloeiende manier mogelijk te maken om een ​​roerder op te pakken om de koffie te roeren, een tandenborstel te gebruiken of een videogame te spelen," zei hij. "Dit algoritme voor machinaal leren verbetert en verfijnt de bewegingen van ruwe en schokkerige bewegingen tot meer vloeiende en vloeiende bewegingen. "

Lees meer: ​​Bionische technologie die helpt bij het herstellen van spiercontrole»

Optimisme voor de toekomst

Neurowetenschappers die de recente doorbraken waarnemen, zijn onder de indruk en optimistisch.

Joseph O'Doherty, PhD, een senior postdoctoraal fellow bij het Philip Sabes Lab van de Universiteit van Californië, San Francisco, Centrum voor Integratieve Neurowetenschappen, noemt deze recente ontwikkelingen in de brain-computer interfacetechnologie baanbrekend. "

" Dit onderzoek toont aan dat verlamde ledematen kunnen worden gereanimeerd - door alleen te denken - voor het herstellen van de gecoördineerde, multi-gewrichtsbewegingen die belangrijk zijn voor het dagelijks leven: reiken, grijpen, eten en drinken, "vertelde hij aan Healthline. "Het is een proof-of-principle-demonstratie die de mogelijkheid vergroot dat vergelijkbare therapieën binnenkort buiten de kliniek kunnen worden toegepast. "

Sinds de late jaren zestig werken wetenschappers aan brain-computer interfaces, in welke vorm dan ook, zei hij. Het veld is geëvolueerd van het besturen van computercursors, bewegende rolstoelen en robotarmen, tot nu, het opnieuw instellen van vrijwillige controle over de ledematen.

"Ruggenmergletsel schaadt vaak het tastgevoel en het vermogen om te bewegen," zei O'Doherty. "Het herstellen van ledemaatsensaties zal een cruciaal element zijn van neuroprothesen die vloeiende en natuurlijke bewegingen mogelijk maken. "

" Er zijn nog steeds veel uitdagingen te overwinnen, "voegde hij eraan toe," maar dit nieuwe resultaat, in combinatie met vele gerelateerde ontwikkelingen op het gebied van draadloze technologie, batterijtechnologie, materiaalkunde en meer, maakt me erg optimistisch over neuroprothetische apparaten voor herstel beweging en sensatie worden op grote schaal beschikbaar. "

Deze innovaties bieden hoop en het potentieel voor bewegingsherstel en grotere onafhankelijkheid voor veel patiënten met verlamming of andere lichamelijke handicaps. Dr. Ali Rezai, The Ohio State University Wexner Medical Center

Rezai zei dat 12.000 mensen in de Verenigde Staten elk jaar een dwarslaesie oplopen en 300.000 mensen leven met dergelijke verwondingen door ongevallen met motorvoertuigen, trauma's, sportblessures en valt.

Minder dan 1 procent bereikt volledig herstel en de meeste hebben tekorten die afhankelijk zijn van verschillende ondersteunende en adaptieve technologieën om een ​​beperkte mate van onafhankelijkheid te bieden.

"Deze innovaties bieden hoop en het potentieel voor bewegingsherstel en grotere onafhankelijkheid voor veel patiënten met verlamming of andere lichamelijke handicaps," zei Rezai. "Naast motorische verbeteringen heeft deze technologie mogelijke implicaties voor mensen met sensorische stoornissen, chronische pijn, spraak, beroerte, cognitieve, angstige en gedragsmatige implicaties. Rezai zei dat hij hoopvol is dat degenen met lichamelijke, zintuiglijke, cognitieve en andere handicaps binnenkort de mogelijkheid krijgen om meer functioneel te zijn, meer onafhankelijkheid te hebben en een betere levenskwaliteit te hebben.

"Ons doel is om deze technologie minder ingrijpend te maken, de omvang van het apparaat te verkleinen, de sensoren te miniaturiseren, het systeem draadloos te maken en het systeem thuis te leveren in plaats van in het laboratorium," zei hij.

Het Case Western-team werkt ook aan de technologische vooruitgang van zijn systeem.

"We moeten een draadloze interface voor de hersenen ontwikkelen om de kabel te vervangen die de gebruiker verbindt met een set opnamecomputers," zei Ajiboye. "We moeten het hersenimplantaat verbeteren voor een langere levensduur, om het aantal neuronen waaruit we kunnen opnemen te vergroten en om een ​​volledig geïmplanteerde herseninterface en een functioneel elektrisch stimulatiesysteem te ontwikkelen. “