Kaksihaarainen hermo-ohitus palautti tuntoa ja liikettä

Hän nosti kupin. Hän tunsi sen lämmön. Kuuden vuoden halvaantumisen jälkeen nuo kaksi yksinkertaista tekoa merkitsivät pientä ihmettä.

Vuonna 2020 42-vuotias Kit Thomas hyppäsi pihapooliin ja sai katastrofaalisen niskavamman, joka jätti hänet täysin halvaantuneeksi rintakehästä alaspäin. Vuosia hän oli riippuvainen hoitajista kaikkein perustavanlaatuisimmissa tehtävissä. Viime kuussa, osallistuttuaan kokeelliseen kliiniseen tutkimukseen, hän pystyi ruokkimaan itseään, tuomaan juoman huulilleen ja tuntemaan siskonsa käden lämmön ensimmäistä kertaa onnettomuuden jälkeen.

Kuinka kaksinkertainen hermo-ohitus palautti tuntoa ja liikettä

Läpimurto tulee Feinstein Institutes for Medical Researchin tiimiltä ja perustuu järjestelmään, jota tutkijat kutsuvat kaksinkertaiseksi hermo-ohitukseksi. Kaksi rinnakkaista kanavaa yhdistää uudelleen aivojen ja kehon välisen katkenneen viestinnän. Pieniä elektrodeja istutetaan sekä liike- että tuntoaivokuoren alueille. Nämä implantit havaitsevat potilaan liike-aikomuksen ja kääntävät nämä hermokuvioiden mallit komennoiksi, jotka aktivoivat käsivarren ja käden lihaksia.

Raajassa itsessään erittäin herkät paineanturit sijaitsevat sormenpäissä. Kun anturit rekisteröivät kontaktin, ne lähettävät signaaleja takaisin aivoimplanteille, jotta potilas voi kokea tuntoa. Tuloksena on suljettu silmukka aivo-tietokone -rajapinnasta, joka ei pelkästään liikuta raajaa; se palauttaa tiedon kaksisuuntaisen virtauksen.

Tekoäly toimii tukevassa roolissa. Koneoppivat dekooderit kartoittavat tiettyjä aivosähkökäyriä erityisiin toimintoihin ja kosketusaistimuksiin. Eräässä silmiinpistävässä lisäkokeessa tiimi käytti myös tekoälyä melodian rekonstruoimiseen aivokuoren aktiivisuuden perusteella, mikä osoittaa, kuinka paljon tietoa näissä signaaleissa on.

Kliiniset tulokset olivat nopeita ja mitattavissa. 35 viikon harjoittelun ja järjestelmän toistuvan käytön jälkeen Kitin oikean käden voima parani 86 prosenttia ja vasemman 62 prosenttia. Tehtävät, jotka aiemmin vaativat apua, ovat nyt hänen hallinnassaan: nenän kutittaminen, kasvojen pyyhkiminen ja hauraiden esineiden, kuten ohuiden munankuorien, nostaminen rikkomatta niitä.

Ehkä kiinnostavinta on, että jotkin palautuneet kyvyt säilyivät jopa silloin, kun ulkoinen järjestelmä sammutettiin. Tämä havainto viittaa neuroplastisuuteen. Piirien toistuva aktivointi näyttää kannustavan hermostoa muodostamaan uusia yhteyksiä, jolloin toimintoja palautuu osittain enemmän kuin pelkän elektrodien ja ohjelmiston tarjoaman välittömän avun avulla.

Aistien toipumista voimistamaan tutkijat yhdistivät aivokuoren stimulaation kohdennettuun ääreis- ja selkäytimestimulaatioon. Ensin he tallensivat Kitin aivovasteet hänen kuvitellessaan kosketusta. Sitten he toistivat vastaavia stimulaatiokuvioita hänen tuntoaivokuorelleen samalla kun antoivat lieviä sähköimpulsseja iholle ja selkäytimeen. Noin 25 viikon harjoittelujakson, joka keskittyi hänen oikeaan ranteeseensa, jälkeen aiemmin tunnottomat alueet saivat takaisin mitattavissa olevan kosketusaistimuksen.

Havainnot on julkaistu Nature Medicine -lehdessä ja ne merkitsevät merkittävää edistysaskelta neuroproteesien ja aivo-tietokone -rajapintojen aloilla. Ne herättävät myös käytännöllisiä ja eettisiä kysymyksiä, kun nämä järjestelmät etenevät laajempaan kliiniseen käyttöön.

Asiantuntijan näkemys

"Tämä työ osoittaa käytännöllisen polun laboratoriodekoodauksesta merkitykselliseen arkipäiväiseen toimintaan," sanoo tohtori Elena Park, kuvitteellinen neurotieteilijä ja hermoinsinöörityön asiantuntija. "Aivokuoren implanttien, ääreisanturien ja adaptiivisten algoritmien yhdistelmä luo synergiaa. Jokainen osa yksinään on rajallinen, mutta yhdessä ne palauttavat kehon tarvitsemat silmukat. Pitkän aikavälin tutkimukset kertovat, kuinka kestäviä muutokset ovat ja miten tätä voidaan laajentaa turvallisesti useammille potilaille."

Edessä on haasteita. Implanttien kestävyys, infektioriski, laitteiden kalibrointi ja kullekin potilaalle vaadittava työvoimavaltainen koulutus ovat todellisia esteitä. Sääntelypolut ja monimutkaisten hoitojen kustannukset määräävät myös, kuinka nopeasti lähestymistapa voi tavoittaa laajempia selkäydinvammaisten potilasryhmiä.

Silti vaikutukset ovat laajat. Perusliikkeiden ja tuntoaistin palauttamisen lisäksi suljetun silmukan BCI-järjestelmät voivat tehostaa kuntoutusstrategioita, vähentää hoitajien kuormitusta ja parantaa elämänlaatua. Ne myös syventävät tieteellistä ymmärrystä siitä, miten intentionaalisuus ja aistimukset koodautuvat aivoissa.

Potilaille kuten Kit Thomas muutos on syvästi henkilökohtainen. "Voin nostaa kupin ja juoda sen itse," hän kertoi toimittajille. "Siskoni käden tunteminen uudelleen oli jotain, josta en koskaan lakannut toivomasta." Tämä toivo saa nyt tieteellisen polun tuekseen, joka yhdistää elektrodeja, adaptiivista ohjelmistoa ja aivojen kyvyn uudelleenjärjestäytyä.