Aivorajapinnat palauttavat tuntotunteen käteen vuosia

Kuvittele sulkevasi silmäsi ja tuntevasi kankaan pinnan, jonka käsi ei enää havaitse. Tämä on se pieni mutta syvä lupaus, jota tämä tutkimus vie eteenpäin: kohdennettu sähkö tietylle aivokuoren alueelle voi palauttaa paikallisia käden tuntemuksia selkäydinvammaisille.

Kymmenen vuotta tuntoaistin signaaleja

Pittsburghin yliopiston ja Chicagon yliopiston tutkijat raportoivat tähän mennessä pisimmän ihmistutkimuksen intrakortikaalisesta mikrostimulaatiosta, jossa keinotekoinen tunto toimitetaan suoraan somatosensoriseen kuoreen. Viisi kroonisesti selkäydinvammaista vapaaehtoista sai aivokonerajapintalaitteita. Yhteensä implantit olivat aktiivisia 27 vuoden ajan ja toimittivat noin 168 miljoonaa sähkösignaalia aivoihin, eikä vakavia haittatapahtumia kirjattu.

Miksi tämä on tärkeää? Kosketus ei ole ylellisyys vaan olennainen aisti. Sen avulla arvioimme painetta, tunnistamme liukumisen, säädämme otetta ja käsittelemme esineitä ilman jatkuvaa katsomista. Nykyiset neuroproteesit voidaan ohjata aivoperäisten liikesignaalien avulla, mutta ilman palautetta ohjaus on hidasta ja vaatii paljon kognitiivista työtaakkaa. Taktillisten signaalien palauttaminen aivoihin sulkee tämän säikeen.

Tutkimus, joka on julkaistu Science Translational Medicine -lehdessä, käsitteli käytännönläheisiä, pitkäaikaisia kysymyksiä, joihin lyhyet laboratoriokokeet eivät pysty vastaamaan: Siirtyvätkö tuntemukset ajan mittaan väärään ruumiinosaan? Aiheuttavatko toistuvat impulssit vahinkoa? Haalistuvatko aistihavainnot tai muuttuvatko niiden ominaisuudet vuosien jälkeen?

Vakaita tuntemuksia, harvinaisia sivuvaikutuksia

Vastaus on pääosin rohkaiseva. Käsiedustukseen somatosensorisessa kuoressa kohdistetut impulssit herättivät johdonmukaisesti käteen liittyviä tuntemuksia edelleen vuosien stimulaation jälkeen. Tuntemukset eivät systeemaattisesti siirtyneet muille, asiaan kuulumattomille kehonalueille. Pysyvät tuntemukset, joissa tunne jatkui stimulaation päättymisen jälkeen, olivat harvinaisia: keskimäärin noin yksi tapaus 23 000 stimulaatiokokeesta. Kun niitä esiintyi, useimmat laimenivat 10 sekunnin sisällä. Kipua, joka olisi vaatinut hoitoa, ei raportoitu.

Nämä havainnot ovat tärkeitä kliinistä soveltamista varten. Kuten professori Robert Gaunt Pittin yliopistosta totesi, tämä tutkimus "asettaa lipun turvallisuuden ja hyödyllisyyden puolesta aivokonerajapintojen käytölle sensorisen stimulaation välittämisessä kliinisissä ympäristöissä ja lopulta myös kotikäytössä". Avustavien laitteiden täytyy toimia luotettavasti vuosia, ei vain laboratoriokäynnin ajan, jotta ne muuttavat käyttäjien elämää.

Missä teknologia kohtaa haasteita

Teknologialla on kuitenkin rajoituksensa. Merkittävin havaittu haaste oli elektrodirajapintojen kestävyys. Osallistujien välillä noin 64 prosenttia implanteista jäi toimintakykyisiksi ajan myötä. Yhdellä henkilöllä 60 prosenttia elektrodeista toimi vielä 10 vuoden kohdalla, vaikka vikaantumisnopeus kiihtyi tutkimuksen myöhemmässä vaiheessa. Kestävien ja korkealaatuisten hermorajapintojen ylläpito on insinöörihaaste, jos järjestelmistä halutaan pitkäaikaisia kotikäyttöisiä ratkaisuja.

Ensisijainen tekijä, tohtori Charles Greenspon Chicagon yliopistosta, korosti, että nämä tiedot siirtävät alaa varhaisen toteutettavuuden vaiheesta kohti insinööri- ja teollista kehitystä. Jos laitteista saadaan kestävämpiä, yritykset voivat suunnitella pitkäaikaisia kotiin vietäviä neuroproteesijärjestelmiä halvaantuneille ihmisille.

Laajempi konteksti ja seuraavat askeleet

Tämä työ rakentuu yli kymmenen vuoden edistysaskeleiden päälle. Vuonna 2012 alettiin implantoida elektrodeja motoriselle kuorelle, jotta halvaantunut voisi ohjata robottikättä. Vuoteen 2015 mennessä sensoriista kuoren stimulaatiota oli käytetty tuntoaistin lisäämiseen. Chicagon yliopisto implantoittti osallistujan sekä motorisilla että sensorisilla elektrodeilla vuonna 2020, mikä mahdollisti samanaikaiset ohjaus- ja palautetutkimukset.

Tutkijat tutkivat myös mikrostimulaatiota aivoalueilla, jotka liittyvät näköön ja kuuloaistiin. Toisin sanoen sama peruslähestymistapa voitaisiin periaatteessa sovittaa useiden aistien palauttamiseen. Kukin järjestelmä kohtaa kuitenkin omat haasteensa: elektrodisuunnittelu, virransyöttö ja kotelointi pitkäaikaisiin implanteihin sekä käytännön hyötyjen osoittaminen arjen tehtävissä.

Asiantuntijan näkemys

"Tämä tutkimus tarjoaa harvinaisen joukon pitkäaikaisia ihmistietoja, joita insinöörit ja kliinikot tarvitsevat", sanoi alan ulkopuolinen neuroinsinööritutkija tohtori Elena Morales. "Se osoittaa, että aivot voivat hyväksyä ja tulkita keinotekoista taktiilista syötettä vuosien ajan, mutta muistuttaa myös, että materiaalitiede ja rajapintojen kestävyys ovat välittömät haasteet. Niiden ratkaiseminen erottaa laboratoriodemonstration päivittäiskäyttöisestä kliinisesta laitteesta."

Johtopäätökset

Tutkimus osoittaa, että intrakortikaalinen mikrostimulaatio voi tuottaa turvallisia ja toistettavia käden tuntemuksia monen vuoden ajan selkäydinvammaisilla ihmisillä. Aistituntemukset pysyvät paikallisina ja suurimmaksi osaksi vakaina. Keskeinen insinöörinen tehtävä eteenpäin on elektrodirajapintojen ja laitteiden luotettavuuden parantaminen. Jos nämä haasteet ratkaistaan, aistipalaute mahdollistavat aivokonerajapinnat voivat tehdä neuroproteesikäsistä luonnollisemmin käytettäviä ja laajentaa sovelluksia myös muiden menetettyjen aistien tukemiseen.