讓癱瘓的猴子走路的大腦植入物

讓癱瘓的猴子走路的大腦植入物

科學家利用無線“腦脊柱接口”繞過一對恒河猴的脊髓損傷,恢復故意行走至臨時癱瘓的腿部。

研究人員表示,這是第一次使用神經修復體將行走運動直接恢復到非人類靈長類動物的腿部。

“我們開發的系統使用從大腦運動皮層記錄的信號來觸發脊柱中負責運動的神經的協調電刺激,”布朗大學工程助理教授,共同主要作者David Borton說。這項研究。 “隨著系統開啟,我們研究中的動物幾乎正常運動。”

這項工作可以幫助開發一種專為脊髓損傷患者設計的類似系統。

重新建立溝通

“有證據表明,腦控制的脊柱刺激系統可能會加強脊髓損傷後的康復,”Borton說。 “這是進一步測試這種可能性的一步。”

加入洛桑聯邦理工學院(EPFL)的教授GrégoireCourtine曾在瑞士開展臨床試驗,以測試界面的脊柱部分。 他警告說:“未來還有很多挑戰,可能需要幾年時間才能在人員中測試這種干預措施的所有組成部分。”

由於大腦和脊髓神經元之間存在復雜的相互作用,因此可以步行。 來自大腦運動皮層的電信號向下傳播至下部脊髓的腰部區域,在那裡它們激活運動神經元,協調協調負責伸展和彎曲小腿的肌肉的運動。

上脊柱損傷可以切斷大腦與下脊髓之間的通訊。 運動皮層和脊髓神經元都可以完全發揮功能,但它們無法協調它們的活動。 該研究的目的是重新建立一些溝通。

腦 - 脊柱界面使用植入大腦的藥丸大小的電極陣列來記錄來自運動皮質的信號。 傳感器技術部分由BrainGate合作開髮用於人類的研究,該研究團隊包括布朗,凱斯西儲大學,馬薩諸塞州綜合醫院,普羅維登斯VA醫學中心和斯坦福大學。

該技術正在用於正在進行的試驗性臨床試驗中,並且之前曾用於a 研究 由Brown神經工程師Leigh Hochberg領導,其中患有四肢癱瘓的人僅僅通過考慮他們自己的手的運動就能夠操作機器人手臂。

由布朗教授Arto Nurmikko神經工程實驗室開發的一個無線神經傳感器由一個包含Borton的團隊開發,將腦芯片收集的信號無線發送到計算機,解碼它們並將它們無線發送回植入腰部的電脊柱刺激器脊柱,受傷區域以下。 以解碼的大腦協調的模式傳遞的電刺激向控制運動的脊神經發出信號。


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為了校準大腦信號的解碼,研究人員將大腦傳感器和無線發射器植入健康的獼猴中。 然後傳感器傳遞的信號可以映射到動物的腿部運動上。 他們表明,解碼器能夠準確預測與腿部肌肉伸展和屈曲相關的大腦狀態。

無線至關重要

Borton說,無線傳輸大腦信號的能力對這項工作至關重要。 有線的大腦感應系統限制了運動自由,這反過來限制了研究人員能夠收集的關於運動的信息。

“通過無線方式進行此操作,我們可以在正常情境和自然行為中映射神經活動,”Borton說。 “如果我們真正瞄準神經修復術,有朝一日可以在日常生活中幫助人類患者,那麼這種不受限制的記錄技術將至關重要。”

對於目前的工作,發表在 性質研究人員將他們對大腦信號如何影響運動的理解與脊柱圖相結合,由Courtine的EPFL實驗室開發,該實驗室確定了負責運動控制的脊柱神經熱點。 這使得團隊能夠確定應該由脊柱植入物刺激的神經迴路。

隨著這些部件的到位,研究人員隨後在兩隻獼猴身上測試了整個系統,這些獼猴的胸椎中有一半的脊髓損傷。 研究人員表示,患有這種類型損傷的獼猴通常會在一個月左右的時間內恢復受影響腿部的功能控制。 該團隊在受傷後的幾週內測試了他們的系統,當時對受影響的腿仍然無法控制。

研究結果顯示,隨著系統開啟,動物在跑步機上行走時開始自發地移動腿部。 與健康對照的運動學比較表明,受到腦控制刺激的受損獼猴能夠產生幾乎正常的運動模式。

雖然證明該系統在非人靈長類動物中起作用是重要的一步,但研究人員強調,必須做更多的工作才能開始在人體中測試該系統。 他們還指出了該研究的一些局限性。

例如,雖然本研究中使用的系統成功地將信號從大腦傳遞到脊柱,但它缺乏將感覺信息返回大腦的能力。 該團隊也無法測試動物能夠施加到受影響腿部的壓力。 雖然很明顯肢體承受了一些重量,但從這項工作中還不清楚多少。

“在一項完整的轉化研究中,我們希望更多地量化動物在行走過程中的平衡程度,並測量它們能夠應用的力量,”Borton說。

儘管存在局限性,該研究為靈長類動物的未來研究奠定了基礎,並且在某種程度上可能作為人類的康復輔助。

“在神經科學中有一句諺語是將電線連接在一起,”Borton說。 “這裡的想法是,通過將大腦和脊髓結合在一起,我們可以在康復過程中增強電路的生長。 這是這項工作的主要目標之一,也是這個領域的目標。“

資金來自歐洲共同體的第七框架計劃,國際截癱研究基金會,來自歐洲研究理事會的起始贈款,日內瓦Wyss中心Marie Curie獎學金,Marie Curie COFUND EPFL獎學金,Medtronic Morton Cure癱瘓基金會獎學金,NanoTera.ch。該計劃,國家機器人技術研究中心計劃,中瑞科技合作和瑞士國家科學基金會。

資源: 布朗大學

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