Cấy ghép não cho phép những con khỉ bị liệt đi lại

Các nhà khoa học đã sử dụng một giao diện não-cột sống không dây của người dùng trực tuyến để bỏ qua các chấn thương tủy sống trong một cặp khỉ raveus, khôi phục chuyển động đi bộ có chủ ý đến một chân bị tê liệt tạm thời.

Các nhà nghiên cứu cho biết đây là lần đầu tiên một bộ phận giả thần kinh được sử dụng để khôi phục chuyển động đi bộ trực tiếp đến chân của các loài linh trưởng không phải người.

Hệ thống chúng tôi đã phát triển sử dụng các tín hiệu được ghi lại từ vỏ não vận động để kích hoạt sự kích thích điện phối hợp của các dây thần kinh ở cột sống chịu trách nhiệm vận động, ông David Borton, trợ lý giáo sư kỹ thuật tại Đại học Brown và là đồng tác giả chính của nghiên cứu. Với hệ thống được bật, các động vật trong nghiên cứu của chúng tôi có cơ địa gần như bình thường.

Công việc có thể giúp phát triển một hệ thống tương tự được thiết kế cho những người bị chấn thương cột sống.

Thiết lập lại truyền thông

Có một bằng chứng cho thấy rằng một hệ thống kích thích cột sống do não kiểm soát có thể tăng cường phục hồi chức năng sau chấn thương tủy sống, theo ông Borton. Đây là một bước để thử nghiệm thêm khả năng đó.

Grégoire Courtine, giáo sư tại Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL), người đứng đầu sự hợp tác, đã bắt đầu thử nghiệm lâm sàng ở Thụy Sĩ để kiểm tra phần cột sống của giao diện. Ông cảnh báo: Có rất nhiều thách thức phía trước và phải mất vài năm trước khi tất cả các thành phần của can thiệp này có thể được thử nghiệm trên người.


đồ họa đăng ký nội tâm


Có thể đi bộ vì có sự tương tác phức tạp giữa các tế bào thần kinh trong não và tủy sống. Các tín hiệu điện bắt nguồn từ vỏ vận động của não truyền xuống vùng thắt lưng ở dưới tủy sống, nơi chúng kích hoạt các tế bào thần kinh vận động phối hợp chuyển động của các cơ chịu trách nhiệm kéo dài và uốn cong chân.

Chấn thương cột sống trên có thể cắt đứt liên lạc giữa não và tủy sống dưới. Cả vỏ não vận động và tế bào thần kinh cột sống có thể có đầy đủ chức năng, nhưng chúng không thể phối hợp hoạt động của chúng. Mục tiêu của nghiên cứu là thiết lập lại một số giao tiếp đó.

Giao diện não-cột sống sử dụng một dãy điện cực cỡ viên thuốc được cấy vào não để ghi lại các tín hiệu từ vỏ não vận động. Công nghệ cảm biến được phát triển một phần để sử dụng điều tra ở người bởi sự hợp tác của BrainGate, một nhóm nghiên cứu bao gồm Brown, Đại học Case Western Reserve, Bệnh viện đa khoa Massachusetts, Trung tâm y tế Providence VA và Đại học Stanford.

Công nghệ này đang được sử dụng trong các thử nghiệm lâm sàng thí điểm đang diễn ra và đã được sử dụng trước đây trong một nghiên cứu được dẫn dắt bởi Brown neuroengineer Leigh Hochberg, trong đó những người mắc bệnh tetraplegia có thể vận hành một cánh tay robot chỉ bằng cách nghĩ về chuyển động của bàn tay của chính họ.

Một máy đo thần kinh không dây, được phát triển trong phòng thí nghiệm thần kinh của giáo sư Brown Arto Nurmikko bởi một nhóm bao gồm Borton, gửi các tín hiệu được thu thập bởi chip não không dây đến một máy tính giải mã chúng và gửi chúng trở lại không dây vào máy kích thích cột sống được cấy vào thắt lưng cột sống, dưới khu vực chấn thương. Sự kích thích điện đó, được đưa ra trong các mô hình được phối hợp bởi bộ não được giải mã, báo hiệu đến các dây thần kinh cột sống điều khiển sự vận động.

Để hiệu chỉnh việc giải mã tín hiệu não, các nhà nghiên cứu đã cấy cảm biến não và bộ phát không dây vào những con khỉ khỏe mạnh. Các tín hiệu được cảm biến chuyển tiếp sau đó có thể được ánh xạ lên chuyển động chân của động vật. Họ đã chỉ ra rằng bộ giải mã có thể dự đoán chính xác các trạng thái não liên quan đến sự mở rộng và uốn cong của cơ chân.

Không dây là rất quan trọng

Khả năng truyền tín hiệu não không dây là rất quan trọng đối với công việc này, Borton nói. Các hệ thống cảm biến não có dây hạn chế tự do di chuyển, do đó giới hạn các nhà nghiên cứu thông tin có thể thu thập về sự vận động.

Làm điều này không dây cho phép chúng ta lập bản đồ hoạt động thần kinh trong bối cảnh bình thường và trong hành vi tự nhiên, chanh Borton nói. Nếu chúng ta thực sự nhắm đến việc điều trị thần kinh, một ngày nào đó có thể được triển khai để giúp đỡ bệnh nhân của con người trong các hoạt động của cuộc sống hàng ngày, thì những công nghệ ghi âm không ràng buộc như vậy sẽ rất quan trọng.

Đối với công việc hiện tại, được xuất bản trong Thiên nhiên, Các nhà nghiên cứu đã kết hợp sự hiểu biết của họ về cách tín hiệu não ảnh hưởng đến sự vận động với bản đồ cột sống, được phát triển bởi phòng thí nghiệm của Courtine tại EPFL, nơi xác định các điểm nóng thần kinh trong cột sống chịu trách nhiệm kiểm soát vận động. Điều đó cho phép nhóm nghiên cứu xác định các mạch thần kinh cần được kích thích bởi cấy ghép cột sống.

Sau đó, với các mảnh này, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm toàn bộ hệ thống trên hai con khỉ với các tổn thương kéo dài một nửa tủy sống trong cột sống ngực của chúng. Các nhà nghiên cứu cho biết, Macaques với loại chấn thương này thường lấy lại sự kiểm soát chức năng của chân bị ảnh hưởng trong khoảng thời gian một tháng hoặc lâu hơn. Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm hệ thống của họ trong những tuần sau chấn thương, khi vẫn không có sự kiểm soát ý chí nào đối với chân bị ảnh hưởng.

Các phát hiện cho thấy với hệ thống được bật, các con vật bắt đầu tự di chuyển chân khi đi trên máy chạy bộ. So sánh động học với các kiểm soát lành mạnh cho thấy các con khỉ bị tổn thương, với sự hỗ trợ của kích thích kiểm soát não, có thể tạo ra các mô hình vận động gần như bình thường.

Mặc dù chứng minh rằng hệ thống hoạt động trong một loài linh trưởng không phải là con người là một bước quan trọng, các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng cần phải làm nhiều việc hơn nữa để bắt đầu thử nghiệm hệ thống ở người. Họ cũng chỉ ra một số hạn chế trong nghiên cứu.

Ví dụ, trong khi hệ thống được sử dụng trong nghiên cứu này đã chuyển thành công các tín hiệu từ não đến cột sống, nó thiếu khả năng trả lại thông tin cảm giác cho não. Nhóm nghiên cứu cũng không thể kiểm tra mức độ áp lực của động vật đối với chân bị ảnh hưởng. Mặc dù rõ ràng là chi có một số trọng lượng, nhưng nó không rõ ràng từ công việc này bao nhiêu.

Trong một nghiên cứu đầy đủ về dịch thuật, chúng tôi muốn định lượng nhiều hơn về mức độ cân bằng của động vật trong khi đi bộ và đo lường các lực mà chúng có thể áp dụng, theo ông Borton.

Mặc dù có những hạn chế, nghiên cứu tạo tiền đề cho các nghiên cứu trong tương lai ở loài linh trưởng và, tại một số điểm, có khả năng là một hỗ trợ phục hồi chức năng ở người.

Có một câu ngạn ngữ trong khoa học thần kinh là các mạch kết nối với nhau, dây Borton nói. Ý tưởng ở đây là bằng cách gắn kết não và tủy sống lại với nhau, chúng ta có thể tăng cường sự phát triển của các mạch trong quá trình phục hồi chức năng. Đó là một trong những mục tiêu chính của công việc này và là mục tiêu của lĩnh vực này nói chung.

Nguồn tài trợ đến từ Chương trình Khung thứ Bảy của Cộng đồng Châu Âu, Quỹ Quốc tế về Nghiên cứu Liệt nửa người Khởi đầu Tài trợ từ Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu, Trung tâm Wyss ở Geneva Học bổng Marie Curie, Học bổng Marie Curie COFUND EPFL, học bổng Quỹ Medtronic Morton Cure Paralysis, NanoTera.ch Chương trình, Trung tâm Quốc gia về Năng lực Nghiên cứu trong chương trình Robot Sinergia, Hợp tác Khoa học và Công nghệ Trung-Thụy Sĩ và Quỹ Khoa học Quốc gia Thụy Sĩ.

nguồn: Đại học Brown

{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}

Sách liên quan:

at Thị trường InnerSelf và Amazon