Wie Implantate und ein Roboterarm einem Gelähmten das Gefühl zurückgeben lassen

Nathan Copeland, ein 28-jähriger Mann, der seine Unterarme und Beine nach einem Autounfall nicht fühlen oder bewegen konnte, hat das Gefühl der Berührung durch einen Roboterarm wiedererlangt, den er mit seinem Gehirn kontrolliert.

Copelands Operation, bei der vier winzige Mikroelektroden-Arrays implantiert wurden, die etwa halb so groß wie ein Hemdknopf in seinem Gehirn sind, ist eine medizinische Erstuntersuchung.

Die Implantate sind mit dem Brain Computer Interface (BCI) verbunden, das von Forschern der Universität Pittsburgh entwickelt wurde. Das Team beschreibt die Ergebnisse in Science Translational Medicine.

"Das wichtigste Ergebnis dieser Studie ist, dass die Mikrostimulation des sensorischen Kortex ein natürliches Gefühl hervorrufen kann, anstatt zu kribbeln", sagt Studienkoautor Andrew B. Schwartz, Professor für Neurobiologie und Lehrstuhl für Systemneurowissenschaften. „Diese Stimulation ist sicher und die hervorgerufenen Empfindungen sind über Monate hinweg stabil.

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"Es gibt noch eine Menge Forschung, die durchgeführt werden muss, um die Stimulationsmuster besser zu verstehen, die benötigt werden, um Patienten dabei zu helfen, bessere Bewegungen zu machen."


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Dies ist nicht der erste Versuch des Teams bei einem BCI. Vor vier Jahren demonstrierten Co-Autorin Jennifer Collinger, Assistenzprofessorin für Physikalische Medizin und Rehabilitation, und Wissenschaftlerin für das VA Pittsburgh Healthcare System und das Team einen BCI, der Jan Scheuermann half, der an einer degenerativen Krankheit leidende Tetraplegie hat. Das Video von Scheuermann füttert sich mit Schokolade mit dem Gedanken gesteuerten Roboterarm wurde auf der ganzen Welt gesehen. Davor, Tim Hemmes, gelähmt bei einem Motorradunfall, Er streckte die Hände mit seiner Freundin aus.

Aber die Art und Weise, wie sich unsere Arme auf natürliche Weise bewegen und mit der Umgebung interagieren, ist mehr als nur das Denken und Bewegen der richtigen Muskeln. Wir sind in der Lage, zwischen einem Stück Kuchen und einer Getränkedose durch Berühren zu unterscheiden, den Kuchen sanfter aufnehmend als die Dose. Die konstante Rückmeldung, die wir vom Tastsinn erhalten, ist von größter Wichtigkeit, da es dem Gehirn sagt, wohin und wie viel es bewegt werden muss.

Für Studienleiter Robert Gaunt, Assistenzprofessor für Physikalische Medizin und Rehabilitation, war dies der nächste Schritt für das BCI.

Als Gaunt und Kollegen nach dem richtigen Kandidaten suchten, entwickelten und verfeinerten sie ihr System so, dass Eingaben vom Roboterarm durch ein Mikroelektrodenarray übertragen werden, das im Gehirn implantiert ist, wo sich die Neuronen befinden, die Handbewegung und Berührung steuern. Das Mikroelektrodenarray und sein Kontrollsystem, das von Blackrock Microsystems entwickelt wurde, bildeten zusammen mit dem Roboterarm, der vom Applied Physics Lab der Johns Hopkins University gebaut wurde, alle Teile des Puzzles.

Copelands Geschichte

Im Winter von 2004 fuhr Copeland, der damals 18 war, nachts bei Regenwetter, als er einen Autounfall hatte, bei dem er sich den Nacken brach und sein Rückenmark verletzte, was ihn mit Quadriplegie von der oberen Brust abwärts verursachte.

Nach dem Unfall hatte er sich in ein Register von Patienten eingeschrieben, die bereit waren, an klinischen Studien teilzunehmen. Fast ein Jahrzehnt später fragte das Forschungsteam, ob er an der Teilnahme an der experimentellen Studie interessiert sei.

Nachdem er die Tests bestanden hatte, wurde Copeland im letzten Frühjahr in den Operationssaal gefahren. Bildgebende Verfahren wurden verwendet, um die genauen Regionen in Copelands Gehirn zu identifizieren, die den Gefühlen in jedem seiner Finger und seiner Handfläche entsprechen.

"Ich kann fast jeden Finger fühlen - es ist ein wirklich komisches Gefühl", sagte Copeland etwa einen Monat nach der Operation. "Manchmal fühlt es sich elektrisch an und manchmal auch sein Druck, aber größtenteils kann ich die meisten Finger mit bestimmter Präzision unterscheiden. Es fühlt sich an, als ob meine Finger berührt oder gedrückt werden. "

Zu dieser Zeit kann Copeland Druck spüren und seine Intensität bis zu einem gewissen Grad unterscheiden, obwohl er nicht erkennen kann, ob eine Substanz heiß oder kalt ist, erklärt Studienko-Forscher und Neurochirurg Elizabeth Tyler-Kabara.

Gaunt sagt, dass alles an der Arbeit dazu gedacht ist, die natürlichen, vorhandenen Fähigkeiten des Gehirns zu nutzen, um den Menschen das zurückzugeben, was verloren, aber nicht vergessen wurde.

"Das ultimative Ziel ist es, ein System zu schaffen, das sich genauso bewegt und fühlt wie ein natürlicher Arm", sagt Gaunt. "Wir haben noch einen langen Weg vor uns, aber das ist ein guter Anfang."

Das Revolutioning Prosthetics-Programm der Defense Advanced Research Projects Agency stellte die meisten Mittel bereit.

Quelle: University of Pittsburgh

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