นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ "ส่วนติดต่อระหว่างสมองและกระดูกสันหลัง" แบบไร้สายเพื่อเลี่ยงอาการบาดเจ็บที่ไขสันหลังในลิงแสมคู่หนึ่ง ฟื้นฟูการเคลื่อนไหวโดยเจตนาให้ขาที่เป็นอัมพาตชั่วคราว

นักวิจัยกล่าวว่านี่เป็นครั้งแรกที่มีการใช้ประสาทเทียมเพื่อฟื้นฟูการเคลื่อนไหวของการเดินไปยังขาของไพรเมตที่ไม่ใช่มนุษย์โดยตรง

"ระบบที่เราพัฒนาขึ้นใช้สัญญาณที่บันทึกจากเยื่อหุ้มสมองสั่งการของสมองเพื่อกระตุ้นการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าของเส้นประสาทในกระดูกสันหลังที่ประสานกันซึ่งมีหน้าที่ในการเคลื่อนไหว" David Borton ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมจากมหาวิทยาลัยบราวน์และผู้เขียนร่วมกล่าว ของการศึกษา “เมื่อเปิดระบบ สัตว์ในการศึกษาของเรามีการเคลื่อนไหวเกือบปกติ”

งานนี้สามารถช่วยในการพัฒนาระบบที่คล้ายกันซึ่งออกแบบมาสำหรับมนุษย์ที่มีอาการบาดเจ็บที่ไขสันหลัง

สร้างการสื่อสารใหม่

"มีหลักฐานที่บ่งชี้ว่าระบบกระตุ้นกระดูกสันหลังที่ควบคุมโดยสมองอาจช่วยเพิ่มการฟื้นฟูหลังจากได้รับบาดเจ็บที่ไขสันหลัง" บอร์ตันกล่าว "นี่เป็นขั้นตอนสู่การทดสอบความเป็นไปได้ต่อไป"

Grégoire Courtine ศาสตราจารย์ที่ Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL) ซึ่งเป็นผู้นำความร่วมมือ ได้เริ่มการทดลองทางคลินิกในสวิตเซอร์แลนด์เพื่อทดสอบส่วนกระดูกสันหลังของอินเทอร์เฟซ เขาเตือนว่า: “ยังมีความท้าทายอีกมากมายรออยู่ และอาจต้องใช้เวลาหลายปีกว่าที่องค์ประกอบทั้งหมดของการแทรกแซงนี้จะทดสอบในคนได้”

การเดินเป็นไปได้เนื่องจากมีปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างเซลล์ประสาทในสมองและไขสันหลัง สัญญาณไฟฟ้าที่กำเนิดจากเยื่อหุ้มสมองสั่งการของสมองจะเดินทางลงไปที่บริเวณเอวในไขสันหลังส่วนล่าง ซึ่งจะกระตุ้นเซลล์ประสาทสั่งการที่ประสานการเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้อที่ทำหน้าที่ขยายและงอขา

การบาดเจ็บที่กระดูกสันหลังส่วนบนสามารถตัดการสื่อสารระหว่างสมองกับไขสันหลังส่วนล่างได้ ทั้งคอร์เทกซ์สั่งการและเซลล์ประสาทไขสันหลังอาจทำงานได้อย่างสมบูรณ์ แต่ไม่สามารถประสานกิจกรรมได้ เป้าหมายของการศึกษาคือการสร้างการสื่อสารนั้นขึ้นมาใหม่

ส่วนต่อประสานระหว่างสมองกับกระดูกสันหลังใช้อาร์เรย์อิเล็กโทรดขนาดเท่าเม็ดยาที่ฝังอยู่ในสมองเพื่อบันทึกสัญญาณจากเยื่อหุ้มสมองสั่งการ เทคโนโลยีเซ็นเซอร์ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อใช้ในการศึกษาวิจัยในมนุษย์โดยการทำงานร่วมกันของ BrainGate ทีมวิจัยที่ประกอบด้วย Brown, Case Western Reserve University, Massachusetts General Hospital, Providence VA Medical Center และ Stanford University

เทคโนโลยีนี้ถูกใช้ในการทดลองทางคลินิกนำร่องอย่างต่อเนื่อง และเคยใช้ก่อนหน้านี้ใน ศึกษา นำโดยนักประสาทวิทยาสีน้ำตาล Leigh Hochberg ซึ่งผู้ที่เป็นโรค Tetraplegia สามารถใช้แขนหุ่นยนต์ได้ง่ายๆ โดยคิดถึงการเคลื่อนไหวของมือของตัวเอง

neurosensor ไร้สายที่พัฒนาขึ้นในห้องปฏิบัติการ neuroengineering ของ Brown ศาสตราจารย์ Arto Nurmikko โดยทีมที่รวม Borton ส่งสัญญาณที่รวบรวมโดยชิปสมองแบบไร้สายไปยังคอมพิวเตอร์ที่ถอดรหัสและส่งกลับไปยังเครื่องกระตุ้นกระดูกสันหลังด้วยไฟฟ้าที่ฝังอยู่ในเอวแบบไร้สาย กระดูกสันหลัง ใต้บริเวณที่เกิดการบาดเจ็บ การกระตุ้นด้วยไฟฟ้านั้นในรูปแบบที่ประสานงานโดยสมองที่ถอดรหัสแล้วส่งสัญญาณไปยังเส้นประสาทไขสันหลังที่ควบคุมการเคลื่อนไหว

เพื่อปรับเทียบการถอดรหัสสัญญาณสมอง นักวิจัยได้ฝังเซ็นเซอร์สมองและเครื่องส่งสัญญาณไร้สายในลิงแสมที่มีสุขภาพดี จากนั้นสัญญาณที่ถ่ายทอดโดยเซ็นเซอร์สามารถจับคู่กับการเคลื่อนไหวของขาของสัตว์ได้ พวกเขาแสดงให้เห็นว่าตัวถอดรหัสสามารถทำนายสถานะสมองที่เกี่ยวข้องกับการยืดและการงอของกล้ามเนื้อขาได้อย่างแม่นยำ

ไร้สายเป็นสิ่งสำคัญ

ความสามารถในการส่งสัญญาณสมองแบบไร้สายมีความสำคัญต่องานนี้ Borton กล่าว ระบบตรวจจับสมองแบบมีสายจำกัดเสรีภาพในการเคลื่อนไหว ซึ่งจะจำกัดข้อมูลที่นักวิจัยสามารถรวบรวมเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวได้

"การทำเช่นนี้แบบไร้สายช่วยให้เราสามารถแมปกิจกรรมของระบบประสาทในบริบทปกติและระหว่างพฤติกรรมตามธรรมชาติ" บอร์ตันกล่าว “หากเราตั้งเป้าอย่างแท้จริงสำหรับประสาทเทียมที่สามารถนำไปใช้เพื่อช่วยเหลือผู้ป่วยในมนุษย์ในระหว่างกิจกรรมในชีวิตประจำวัน เทคโนโลยีการบันทึกแบบไม่ผูกมัดดังกล่าวจะมีความสำคัญอย่างยิ่ง”

สำหรับงานปัจจุบันตีพิมพ์ใน ธรรมชาตินักวิจัยได้รวมความเข้าใจว่าสัญญาณสมองมีอิทธิพลต่อการเคลื่อนไหวอย่างไรด้วยแผนที่กระดูกสันหลังซึ่งพัฒนาโดยห้องทดลองของ Courtine ที่ EPFL ซึ่งระบุจุดเชื่อมต่อประสาทในกระดูกสันหลังที่รับผิดชอบในการควบคุมหัวรถจักร ที่ช่วยให้ทีมสามารถระบุวงจรประสาทที่ควรได้รับการกระตุ้นโดยการปลูกถ่ายกระดูกสันหลัง

เมื่อนำชิ้นส่วนเหล่านี้เข้าที่แล้ว นักวิจัยได้ทดสอบระบบทั้งหมดกับลิงแสม XNUMX ตัวที่มีรอยโรคซึ่งขยายไปถึงครึ่งไขสันหลังในกระดูกสันหลังของทรวงอก นักวิจัยกล่าวว่าลิงแสมที่มีอาการบาดเจ็บประเภทนี้จะสามารถควบคุมการทำงานของขาที่ได้รับผลกระทบได้อีกครั้งในช่วงหนึ่งเดือน ทีมทดสอบระบบของพวกเขาในช่วงหลายสัปดาห์หลังจากได้รับบาดเจ็บ เมื่อยังไม่มีการควบคุมโดยสมัครใจสำหรับขาที่ได้รับผลกระทบ

ผลการวิจัยพบว่าเมื่อเปิดระบบ สัตว์จะเริ่มขยับขาตามธรรมชาติขณะเดินบนลู่วิ่ง การเปรียบเทียบจลนศาสตร์กับกลุ่มควบคุมที่ดีต่อสุขภาพแสดงให้เห็นว่าลิงแสมที่มีรอยโรคด้วยการกระตุ้นที่ควบคุมโดยสมอง สามารถสร้างรูปแบบการเคลื่อนไหวที่เกือบจะปกติได้

ในขณะที่การแสดงให้เห็นว่าระบบทำงานในไพรเมตที่ไม่ใช่มนุษย์นั้นเป็นขั้นตอนที่สำคัญ นักวิจัยเน้นว่าต้องดำเนินการอีกมากเพื่อเริ่มทดสอบระบบในมนุษย์ พวกเขายังชี้ให้เห็นข้อจำกัดหลายประการในการศึกษา

ตัวอย่างเช่น แม้ว่าระบบที่ใช้ในการศึกษานี้จะถ่ายทอดสัญญาณจากสมองไปยังกระดูกสันหลังได้สำเร็จ แต่ก็ขาดความสามารถในการส่งข้อมูลทางประสาทสัมผัสไปยังสมอง ทีมงานยังไม่สามารถทดสอบว่าสัตว์สามารถกดทับขาที่ได้รับผลกระทบได้มากน้อยเพียงใด แม้ว่าจะเห็นได้ชัดว่าแขนขานั้นมีน้ำหนัก แต่ก็ไม่ชัดเจนจากงานนี้เท่าไหร่

“ในการศึกษาการแปลฉบับสมบูรณ์ เราอยากจะหาปริมาณเพิ่มเติมเกี่ยวกับความสมดุลของสัตว์ระหว่างเดิน และวัดแรงที่พวกมันสามารถใช้ได้” บอร์ตันกล่าว

แม้จะมีข้อจำกัดต่างๆ ก็ตาม การวิจัยได้กำหนดขั้นตอนสำหรับการศึกษาไพรเมตในอนาคต และในบางจุด อาจเป็นเครื่องช่วยฟื้นฟูในมนุษย์

"มีสุภาษิตในประสาทวิทยาที่วงจรไฟเข้าด้วยกัน" บอร์ตันกล่าว “แนวคิดในที่นี้คือ การรวมสมองและไขสันหลังเข้าด้วยกัน เราอาจสามารถเพิ่มการเติบโตของวงจรในระหว่างการพักฟื้น นั่นเป็นหนึ่งในเป้าหมายหลักของงานนี้และเป้าหมายของสาขานี้โดยทั่วไป”

เงินทุนมาจากโครงการกรอบที่เจ็ดของประชาคมยุโรป, มูลนิธิระหว่างประเทศเพื่อการวิจัยในอัมพาตครึ่งหลังจาก European Research Council, Wyss Center ในเจนีวา Marie Curie Fellowship, Marie Curie COFUND EPFL ทุน, ทุน Medtronic Morton Cure Paralysis Fund, NanoTera.ch โครงการศูนย์ความสามารถแห่งชาติในการวิจัยด้านวิทยาการหุ่นยนต์ โครงการ Sinergia ความร่วมมือด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีชิโน-สวิส และมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติสวิส

ที่มา: มหาวิทยาลัยบราวน์

{youtube}pDLcuCpn_iw{/youtube}

หนังสือที่เกี่ยวข้อง:

at ตลาดภายในและอเมซอน