Уважаемые пользователи! Все материалы на сайте являются переводами с других языков. Извиняемся за качество текстов, но надеемся, что они принесут Вам пользу. Администрация сайта. Обратная связь: webmaster@clearbody.org

Нейропротезирование: восстановление после травмы с использованием силы вашего разума

Нейропротезирование, также известное как интерфейсы мозговых компьютеров, — это устройства, которые помогают людям с двигательными или сенсорными нарушениями восстанавливать контроль над своими чувствами и движениями, создавая связь между мозгом и компьютером. Другими словами, эта технология позволяет людям двигаться, слышать, видеть и касаться, используя силу мысли в одиночку. Как работают нейропротезирование? Мы рассматриваем пять крупных прорывов в этой области, чтобы увидеть, как далеко мы пришли — и насколько дальше мы можем идти — используя только силу нашего разума.

женщина с электродами, прикрепленными к черепу]

Каждый год сотни тысяч людей во всем мире теряют контроль над своими конечностями в результате травмы спинного мозга. В Соединенных Штатах до 347 000 человек живут с травмой спинного мозга (SCI), и почти половина из них не могут двигаться с шеи вниз.

Для этих людей нейропротезные устройства могут предложить столь необходимую надежду.

Мозговые компьютерные интерфейсы (BCI) обычно включают электроды, размещенные на человеческом черепе, на поверхности мозга или в ткани мозга — которые контролируют и измеряют активность мозга, которая возникает, когда мозг «думает» о мысли. Затем картина этой активности мозга «переводится» в код или алгоритм, который «подается» в компьютер. Компьютер, в свою очередь, преобразует код в команды, которые производят движение.

Нейропротезирование не только полезно для людей, которые не могут двигать руками и ногами; они также помогают людям с сенсорными нарушениями. По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) примерно 360 миллионов человек по всему миру имеют инвалидизирующую форму потери слуха, а еще 39 миллионов человек слепы.

Для некоторых из этих людей нейропротезирование, такое как кохлеарные имплантаты и бионические глаза, отбросило их чувства, и в некоторых случаях они позволили им услышать или увидеть в первый раз.

Здесь мы рассмотрим пять наиболее важных разработок в области нейропротезной технологии, посмотрим, как они работают, почему они полезны и как некоторые из них будут развиваться в будущем.

Ушной имплантат

Вероятно, «старейшее» нейропротезированное устройство, кохлеарные имплантаты (или имплантаты уха) были вокруг в течение нескольких десятилетий и являются воплощением успешной нейропротезирования.

Администрация США по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) утвердила кохлеарные имплантаты еще в 1980 году, а к 2012 году около 60 000 человек имели имплантат. Во всем мире более 320 000 человек получили имплантированное устройство.

Кохлеарный имплантат работает путем обхода поврежденных участков уха и стимуляции слухового нерва сигналами, полученными с использованием электродов. Сигналы, передаваемые через слуховой нерв в мозг, воспринимаются как звуки, хотя слух через ушной имплантат сильно отличается от обычного слуха.

Хотя несовершенные кохлеарные имплантаты позволяют пользователям различать речь лично или по телефону, средства массовой информации изобилуют эмоциональными рассказами о людях, которые впервые услышали себя с помощью этого сенсорного нейропротезного устройства.

Здесь вы можете посмотреть видео 29-летней женщины, которая впервые слышит себя с помощью кохлеарного имплантата:

Имплантат для глаз

Первая искусственная сетчатка, называемая Argus II, полностью изготовлена ​​из электродов, имплантированных в глаз, и была одобрена FDA в феврале 2013 года. Во многом так же, как кохлеарный имплантат, этот нейропротектор обходит поврежденную часть сетчатки и передает сигналы, захваченные прикрепленной камерой, в мозг.

Это делается путем преобразования изображений в светлые и темные пиксели, которые превращаются в электрические сигналы. Затем электрические сигналы посылаются на электроды, которые, в свою очередь, посылают сигнал на зрительный нерв мозга.

В то время как Argus II полностью не восстанавливает зрение, он позволяет пациентам с пигментной ретинитой — состояние, которое повреждает фоторецепторы глаза, — отличать контуры и формы, что, как сообщают многие пациенты, существенно влияет на их жизнь.

Пигментный ретинит — это нейродегенеративное заболевание, которое поражает около 100 000 человек в США. С момента своего утверждения более 200 пациентов с пигментной инфекцией ретинита имели имплантат Argus II, а компания, которая его разработала, в настоящее время работает над тем, чтобы обеспечить возможность обнаружения цвета, а также улучшить разрешение устройства.

Нейропротезирование людей с SCI

По оценкам, почти 350 000 человек в США живут с SCI, а 45 процентов из тех, кто имел SCI с 2010 года, считаются тетраплегическими, то есть парализованы с шеи.

Недавно мы сообщали о новаторском однопартийном эксперименте, который позволил человеку с квадриплегией двигать руками, используя силу своих мыслей.

У Билла Кочевара были электроды, хирургически вмонтированные в его мозг. После обучения BCI «научиться» активности мозга, которая соответствовала движениям, о которых он думал, эта деятельность была превращена в электрические импульсы, которые затем передавались обратно на электроды в его мозгу.

Во многом аналогично тому, как кохлеарные и визуальные имплантаты обходят поврежденную область, так и эта область BCI избегает «короткого замыкания» между мозгом и мышцами пациента, созданных SCI.

С помощью этого нейропротезирования пациент смог успешно пить и кормить себя. «Это было потрясающе, — говорит Кочевар, — потому что я думал о том, чтобы двигать рукой, и так оно и было». Кочевар был первым пациентом в мире, который проверил нейропротезированное устройство, которое в настоящее время доступно только для исследовательских целей.

Вы можете узнать больше об этом нейропротезировании из видео ниже:

Тем не менее, это не там, где SCI-нейропротезирование прекращается.Лаборатория Courtine Lab, возглавляемая нейробиологом Грегори Кортинеем в Лозанне, Швейцария, неустанно работает над тем, чтобы помочь пострадавшим восстановить контроль над своими ногами. Их исследовательские усилия с крысами позволили парализованным грызунам ходить, достигнутые с помощью электрических сигналов и заставляя их стимулировать нервы в отрезанном спинном мозге.

«Мы считаем, что эта технология может в один прекрасный день значительно улучшить качество жизни людей, столкнувшихся с неврологическими расстройствами», — говорит Сильвестро Мичера, соавтор эксперимента и нейроинженерия в Лабораториях Courtine.

Недавно профессор Кортине также возглавил международную группу исследователей, которая успешно создала добровольное движение ног у макак-резусов. Это был первый случай, когда нейропротезирование использовалось для ходьбы в нечеловеческих приматах.

Тем не менее, «это может занять несколько лет, прежде чем все компоненты этого вмешательства могут быть протестированы в людях», — говорит профессор Кортине.

Рука, которая чувствует

Сильвестро Мичера также руководил другими проектами по нейропротезированию, среди которых рука, которая «чувствует». В 2014 году сообщалось о первой искусственной руке, которая была усилена датчиками.

Исследователи измеряли напряжение в сухожилиях искусственной руки, которые контролировали захват движений и превращали его в электрический ток. В свою очередь, используя алгоритм, это было переведено на импульсы, которые затем были отправлены на нервы в руке, создавая ощущение осязания.

С тех пор протезная рука, которая «чувствует», была улучшена еще больше. Исследователи из Университета Питтсбурга и Медицинского центра Университета Питтсбурга, как в Пенсильвании, протестировали BCI у одного пациента с квадриплегией: Натан Коупленд.

Ученые имплантировали оболочку микроэлектродов под поверхностью мозга Коупленда, а именно в его первичной соматосенсорной коре, и связали их с протезной рукой, которая была оснащена датчиками. Это позволяло пациенту ощущать ощущения прикосновения, которые чувствовали к нему, как будто они принадлежали его собственной парализованной руке.

С завязанными глазами, Коупленд смог определить, какой палец на его протезной руке был затронут. Ощущения, которые он воспринимал, различались по интенсивности и ощущались как отличающиеся от давления.

Нейропротезирование нейронов?

Мы видели, что протезирование, контролируемое мозгом, может восстановить ощущение прикосновения, слуха, зрения и движения пациентов, но можем ли мы построить протез для самого мозга?

Исследователям из Австралийского национального университета (ANU) в Канберре удалось искусственно выращивать клетки мозга и создавать функциональные мозговые цепи, прокладывая путь для нейропротезирования мозга.

Используя нанопроволочную геометрию на полупроводниковой пластине, д-р Вини Гаутам из Исследовательской школы инженеров ANU и коллеги придумали строительные леса, которые позволяют клеткам мозга расти и соединяться синаптически.

Руководитель группы проектов доктор Винсент Дарья из Школы медицинских исследований им. Джона Кертина в Австралии объясняет успех своих исследований:

«Мы смогли сделать прогностические связи между нейронами и продемонстрировали, что они функционируют синхронно с нейронами. Эта работа могла бы открыть новую исследовательскую модель, которая создаст более прочную связь между материалами нанотехнологий с нейронаукой».

Нейропротезирование мозга может в один прекрасный день помочь пациентам, перенесшим инсульт или живущим с нейродегенеративными заболеваниями, восстановить неврологию.

Каждый год в США почти 800 000 человек имели инсульт, и от него умирает более 130 000 человек. Нейродегенеративные заболевания также широко распространены: 5 миллионов взрослых в США, по оценкам, живут с болезнью Альцгеймера, 1 миллион — с паркинсонизмом, а 400 000 — с рассеянным склерозом.

Узнайте о новейших начинаниях Facebook: развитии BCI.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями: