How Brain Implants Can Let Paralyzed People Move Again

Etwas so einfaches wie das Aufnehmen einer Tasse Tee erfordert eine Menge Action von Ihrem Körper. Deine Armmuskeln feuern, um deinen Arm in Richtung der Tasse zu bewegen. Deine Fingermuskeln feuern, um deine Hand zu öffnen, dann beuge deine Finger um den Griff. Deine Schultermuskeln halten deinen Arm davon ab, aus deiner Schulter herauszukommen, und deine Rumpfmuskulatur sorgt dafür, dass du wegen des zusätzlichen Gewichts der Tasse nicht kippst. Alle diese Muskeln müssen genau und koordiniert feuern, und doch ist deine einzige bewusste Anstrengung der Gedanke: "Ich weiß: Tee!"

Deshalb ist es so schwierig, einem gelähmten Glied zu ermöglichen, sich wieder zu bewegen. Die meisten gelähmten Muskeln können noch arbeiten, aber ihre Kommunikation mit dem Gehirn ist verloren gegangendeshalb erhalten sie keine Feueranweisungen. Wir können die Schädigung des Rückenmarks noch nicht reparieren, daher besteht eine Lösung darin, diese zu umgehen und den Muskeln künstlich Anweisungen zu geben. Und dank der Entwicklung der Technologie zum Lesen und Interpretieren der Gehirnaktivität könnten diese Anweisungen eines Tages direkt aus dem Kopf eines Patienten kommen.

Wir können gelähmte Muskeln zum Feuern bringen, indem wir sie mit Elektroden stimulieren, die in den Muskeln oder um die Nerven, die sie versorgen, platziert sind funktionelle elektrische Stimulation (FES). Es hilft nicht nur gelähmten Menschen, sich zu bewegen, sondern auch, um die Blasenfunktion wiederherzustellen, effektives Husten zu erzeugen und Schmerzlinderung zu bewirken. Es ist eine faszinierende Technologie, die für Menschen mit Rückenmarksverletzungen einen großen Unterschied machen kann.

Dimitra Blana und ihre Kollegen bei Keele arbeiten daran, wie man diese Technologie mit der komplexen Kombination von Anweisungen benötigt, um einen Arm zu bedienen. Wenn du diese Tasse Tee aufheben willst, welche Muskeln müssen wann und um wieviel schießen? Die Schussanweisungen sind kompliziert, und das nicht nur wegen der großen Anzahl von Kern-, Schulter-, Arm- und Fingermuskeln. Wenn Sie langsam Ihren Tee trinken, ändern sich diese Anweisungen, weil sich das Gewicht der Tasse ändert. Um etwas anderes zu machen, wie z. B. die Nase kratzen, sind die Anweisungen völlig anders.

Anstatt nur verschiedene Brennmuster auf den gelähmten Muskeln auszuprobieren, in der Hoffnung, einen zu finden, der funktioniert, kannst du ihn benutzen Computermodelle des Bewegungsapparates um sie zu berechnen. Diese Modelle sind mathematische Beschreibungen, wie Muskeln, Knochen und Gelenke während der Bewegung wirken und interagieren. In den Simulationen können Sie Muskeln stärker oder schwächer, "gelähmt" oder "von außen stimuliert" machen. Sie können verschiedene Brennmuster schnell und sicher testen, und Sie können die Modelle dazu bringen, ihre Teetassen immer wieder aufzufrischen - manchmal erfolgreicher als andere.


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Modellierung der Muskeln

Um die Technologie zu testen, arbeitet das Team von Keele mit dem Cleveland FES Zentrum in den USA, wo sie implantieren bis zu 24-Elektroden in die Muskeln und Nerven der Forschungsteilnehmer. Sie verwenden Modellierung, um zu entscheiden, wo die Elektroden platziert werden, da es in aktuellen FES-Systemen mehr gelähmte Muskeln als Elektroden gibt.

Wenn Sie wählen müssen, ist es besser, den Subscapularis oder den Supraspinatus zu stimulieren? Wenn Sie den Nervus axillaris stimulieren, sollten Sie die Elektrode vor oder nach der Abzweigung zum Teres minor platzieren? Um diese schwierigen Fragen zu beantworten, Sie führen Simulationen mit verschiedenen Elektrodensätzen durch und wählen Sie diejenige, mit der die Computermodelle die effektivsten Bewegungen ausführen können.

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Derzeit arbeitet das Team an der Schulter, die von einer Gruppe von Muskeln, der Rotatorenmanschette, stabilisiert wird. Wenn Sie die Schußanweisungen für den Arm falsch bekommen, könnte es für den Suppenlöffel anstelle des Buttermessers reichen. Wenn Sie die Anweisungen zur Rotatorenmanschette falsch erhalten, könnte der Arm aus der Schulter herausspringen. Es ist kein guter Look für die Computermodelle, aber sie beschweren sich nicht. Forschungsteilnehmer würden weniger nachsichtig sein.

Zu wissen, wie man gelähmte Muskeln aktiviert, um nützliche Bewegungen wie das Greifen zu erzeugen, ist nur die Hälfte des Problems. Wir müssen auch wissen, wann wir die Muskeln aktivieren müssen, zum Beispiel wenn der Benutzer ein Objekt aufnehmen möchte. Eine Möglichkeit besteht darin, diese Information direkt aus dem Gehirn zu lesen. Vor kurzem, Forscher in den USA ein Implantat verwendet, um einzelne Zellen im Gehirn eines gelähmten Menschen zu hören. Da verschiedene Bewegungen mit unterschiedlichen Mustern der Gehirnaktivität verbunden sind, konnte der Teilnehmer eine von sechs vorprogrammierten Bewegungen auswählen, die dann durch Stimulation der Handmuskeln erzeugt wurden.

Das Gehirn lesen

Dies war ein spannender Schritt auf dem Gebiet der neuralen Prothetik, aber viele Herausforderungen bleiben bestehen. Idealerweise müssen Gehirnimplantate viele Jahrzehnte halten - derzeit ist es schwierig, dieselben Signale über mehrere Wochen hinweg aufzuzeichnen, daher müssen diese Systeme regelmäßig neu kalibriert werden. Verwenden neue Implantatdesigns or verschiedene Hirnsignale kann die Langzeitstabilität verbessern.

Außerdem hören Implantate nur einen kleinen Teil der Millionen von Zellen, die unsere Gliedmaßen kontrollieren, so dass die Anzahl der auslesbaren Bewegungen begrenzt ist. Jedoch, Gehirnsteuerung von Robotergliedern mit mehreren Freiheitsgraden (Bewegung, Rotation und Greifen) wurde erreicht und die Fähigkeiten dieser Technologie schreiten schnell voran.

Schließlich werden die sanften, mühelosen Bewegungen, die wir normalerweise für selbstverständlich halten, von einem reichen sensorischen Feedback geleitet, das uns sagt, wo unsere Arme im Raum sind und wann unsere Fingerspitzen Objekte berühren. Diese Signale können jedoch auch nach einer Verletzung verloren gehen Forscher arbeiten auf Gehirnimplantaten, die eines Tages sowohl die Empfindung als auch die Bewegung wiederherstellen können.

Einige Wissenschaftler spekulieren, dass die Technologie des Gehirnlesens dazu beitragen könnte, dass Menschen mit Behinderungen effizienter mit Computern, Mobiltelefonen und sogar mit anderen kommunizieren können direkt zu anderen Gehirnen. Dies bleibt jedoch der Bereich der Science-Fiction, während die Kontrolle des Gehirns für medizinische Anwendungen schnell klinische Realität wird.

Über den Autor

Dimitra Blana, Forschungsmitglied in Biomedizintechnik, Keele University

Andrew Jackson, Senior Research Fellow von Wellcome Trust, Universität Newcastle

Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am Das Gespräch.. Lies das Original Artikel.

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