Мозъчни импланти биха позволили на парализирани хора да се движат отново

Wanderlane, flickr (CC BY 2.0)
Wanderlane, flickr (CC BY 2.0)

Нещо толкова просто, като това да вдигнете чаша чай, изисква изключително много действия от страна на тялото. Мускулите на ръката ви я придвижват към чашата, мускулите на пръстите отварят дланта ви и след това сгъват пръстите около дръжката. Мускулите на рамото ви го придържат, за да не се откачи от ставата си, а вътрешните ви мускули подсигуряват, че няма да паднете, заради допълнителната тежест на чашата. Всички тези мускули трябва да се задействат по прецизен и координиран начин, а единственото съзнателно усилие да бъде мисълта: „Чай!”

Ето защо е толкова трудно парализиран крайник да бъде накаран да се движи отново. Повечето парализирани мускули все още могат да работят, но са изгубили комуникацията си с мозъка и не получават инструкции за действие. Все още не можем да поправяме пораженията върху гръбначния мозък и затова едно от решенията е да го заобиколим и да осигурим необходимите инструкции по изкуствен начин. И благодарение на развитието на технологиите за четене и интерпретация на мозъчната дейност, тези инструкции един ден биха могли да идват непосредствено от ума на пациента.

Можем да активизираме парализираните мускули, като ги стимулираме чрез електроди, поставени вътре в тях или около нервите, които ги инервират – техника, известна като функционална електрическа стимулация (FES). Освен в помощ на парализирани хора, техниката се използва и за възстановяване на функцията на пикочния мехур и за облекчаване на болката. Това е впечатляващ метод, който може значително да подобри живота на хора с нараняване на гръбначния мозък.

Dimitra Blana и колегите ѝ от Килския университет работят по това как да съвместят тази технология със сложния набор от инструкции, необходими за движението на една ръка. Ако искате да вдигнете тази чаша чай, то кои мускули трябва да се активизират, кога и с каква сила? Инструкциите за задействане са сложни не само поради големия брой на мускулите, които участват. Докато бавно пиете чая си, тези инструкции се променят, защото и тежестта на чашата се променя. За да направите нещо различно, като това да си почешете носа, инструкциите са съвсем различни.

Вместо просто да изпробвате различни модели на активизиране на парализирани мускули с надеждата да намерите един, който да работи, можете да използвате компютърен модел на скелетно-мускулната система и да направите необходимите изчисления. Тези модели са математически описания на това как мускулите, костите и ставите работят и си взаимодействат по време на движение. В симулациите, можете да направите мускулите по-силни или по-слаби, „парализирани” или „много силно стимулирани”. Можете да изпробвате различни модели на активизиране бързо и безопасно, както и да накарате моделите да вдигат чашата отново и отново – понякога по-успешно от друг път.


РЕКЛАМА:

***

Моделиране на мускулите

За да изпробва технологията, екипът работи с Cleveland FES Center в САЩ, където имплантират до 24 електрода в мускулите и нервите на участници в изследването. Те използват моделиране, за да преценят къде да сложат електродите, защото има повече парализирани мускули, отколкото електроди в съвременните системи за функционална електрическа стимулация.

Мускули на ротаторния маншон: Supraspinatus и Infraspinatus. Credit: Anatomography (CC BY-SA 2.1 jp)
Мускули на ротаторния маншон: Supraspinatus и Infraspinatus. Credit: Anatomography (CC BY-SA 2.1 jp)

Ако трябва да избирате, по-добре е да стимулирате мускула под лопатката (subscapularis) или супраспинатуса? Ако стимулирате аксиларния нерв – къде да поставите електрода – преди или след разклонението за teres minor? За да отговорят на тези трудни въпроси, те провели симулации с различни набори от електроди и избрали този, който позволява на компютърните модели да извършват най-ефективни движения.

Мускули на ротаторния маншон: Subscapularis и Teres minor. Credit: Anatomography (CC BY-SA 2.1 jp)
Мускули на ротаторния маншон: Subscapularis и Teres minor. Credit: Anatomography (CC BY-SA 2.1 jp)

В момента екипът работи върху рамото, което се стабилизира от група мускули, наречени ротаторен маншон. Ако сгрешите инструкциите за движение на ръката, тя може да посегне към лъжицата, вместо към ножа, но ако сгрешите инструкциите за ротаторния маншон, ръката може да излезе от раменната става. За щастие, компютърните модели не се оплакват и не ги боли. Живите участници в изследването не биха простили толкова лесно.

Познанието за това как да активирате парализираните мускули, за да произведете полезни движения, като хващане, е само част от проблема. Трябва да знаем и кога да активираме мускулите, например – кога човекът иска да вдигне даден предмет. Една от възможностите е тази информация да се чете непосредствено от мозъка. Наскоро изследователи от САЩ използваха имплант, за да подслушват отделни клетки в мозъка на парализиран човек. Тъй като различните движения са свързани с различни модели на мозъчна активност, участникът можел да избере едно от шест предварително програмирани движения, които след това били генерирани чрез симулация на мускули на ръката.

Четене от мозъка

Това беше една вълнуваща стъпка напред за областта на нервното протезиране, но остават още много предизвикателства. В идеалния случай, мозъчните импланти трябва да издържат в продължение на десетилетия – в момента само след няколко седмици вече е трудно да се отчетат същите сигнали и тези системи трябва да се калибрират непрекъснато. Използването на нови дизайни на импланти или различни мозъчни сигнали бих подобрили дългосрочната стабилност.

Освен това, имплантите подслушват само малка част от милионите клетки, които контролират крайниците ни и затова обхватът на движения, които биха могли да бъдат разчетени е ограничен. Но е постигнат мозъчен контрол на роботизирани крайници с множество степени на свобода (движение, въртене, хващане) и възможностите на тази технология бързо се увеличават.

Credit afri., flickr (CC BY-ND 2.0)
Credit afri., flickr (CC BY-ND 2.0)

Гладките движения, постигнати без усилие, които сме свикнали да приемаме за даденост, се насочват от богата сетивна обратна връзка, която ни казва къде се намират ръцете ни в пространството и кога върховете на пръстите ни докосват някакъв предмет. Тези сигнали също може да се изгубят след травма, затова изследователите работят върху мозъчни импланти, които един ден биха могли да възвърнат както усета, така и движението.

Някои учени спекулират, че технологията за четене от мозъка би могла да помогне на хората без увреждания да комуникират по-ефективно с компютри, мобилни телефони и дори директно с други мозъци. Все пак това остава в областта на научната фантастика, докато мозъчния контрол за медицински приложения бързо се превръща в клинична реалност.


Европейска нощ на учените 2022 г.: