Парализованный человек двигает пальцами, играет на Guitar Hero с этапом имплантации мозга

Ник Аннетта (справа) из Баттелла наблюдает за тем, как 24-летний Ян Буркхарт играет в видеоигру на гитаре, используя свою парализованную руку. Компьютерная микросхема в мозгу Буркхарта читает его мысли, декодирует их, а затем посылает сигналы в рукав на руке, что позволяет ему двигать рукой. Фото: Университет штата Огайо, Векснер, медицинский центр / Batelle

Шесть лет назад во время плавания в океане прибой 24-летний Ян Буркхарт потерял способность контролировать свои руки и ноги. Он нырнул под прибой, и волны толкнули его в песчаную отмель. Но сегодня, благодаря компьютерному чипу, внедренному в моторную кору его мозга, который расшифровывает его мозговую деятельность, он снова может двигать пальцами. Он может взять стакан и налить из него. Он даже может играть в Guitar Hero. Впервые интерфейс мозг-машина восстановил мышечный контроль у парализованного человека.

Но Burkhart может выполнять эти действия только в лабораторных условиях. Несмотря на то, что это огромный прогресс, он все еще далек от восстановления повседневного передвижения миллионам инвалидов по всему миру. Результаты проекта опубликованы сегодня в журнале Природа ,

Не киборг

Ситуация Буркхарта отличается от предыдущих компьютеризированных нейропротезов, которые позволяли пациентам манипулировать курсоры на экране компьютера или руководство роботизированные руки , Вместо того, чтобы манипулировать цифровым или механическим протезом, его имплантат обходит травму позвоночника, подавая сигналы мозга прямо в электронный рукав, что, в свою очередь, позволяет двигать его естественной руке.

«Существует технология, которая связывает сигналы мозга со сложными формами экзоскелетов», - сказал Али Резаи, соавтор исследования и директор Центра нейромодуляции Государственного университета штата Огайо. «Наш подход состоял в том, чтобы перейти к минимально инвазивному вмешательству, насколько это возможно, к наименьшему количеству операций и обеспечить… в этом случае носимое устройство, похожее на одежду, которое может носить пациент».

Машина и человек на самом деле учатся вместе. Имплантат Беркхарта состоит из чипа, меньшего размера и тоньше, чем десять центов, который проецирует 96 проводов - электродов - во внешние слои мозга.

Представьте себе микроскопическую расческу с крошечными металлическими зубцами. Эти электроды сканируют импульсы от сотен нейронов в той же области мозга, которая контролирует его руку. Металлический корпус защищает компьютерную микросхему, когда Burkhart не подключен к гильзе.

«Я больше не замечаю этого. Я мог бы заметить, что когда кто-то помогает мне одеться утром, натягивает футболку на голову или что-то в этом роде », - сказал Буркхарт. «Это размером с несколько монет, торчащих на макушке вашей головы, на которых надет защитный колпачок. Так что это действительно не слишком навязчиво для моей повседневной жизни ».

24-летний Ян Буркхарт никогда не думал, что снова сделает кредитную карту. Буркхарт был парализован с плеч после несчастного случая в дайвинге в 2010 году, но восстановил функциональное использование его руки благодаря технологии нейронного шунтирования. Фото: Университет штата Огайо, Векснер, медицинский центр / Batelle

В лаборатории ученые вставляют серое устройство размером с сигаретную коробку в чип в мозге Буркхарта. Эта коробка содержит электронные усилители, которые декодируют нейронные сигналы, улавливаемые тонкими электродами в мозге. Компьютер использует алгоритмы машинного обучения, которые расшифровывают и запоминают нервные паттерны, чтобы управлять электронным рукавом. Рукав направляет электрические импульсы на 130 точек на руке Буркхарта, заставляя его мышцы плавно двигаться.

«Машина и человек на самом деле учатся вместе», - сказал биоинженер Чед Бутон, который совместно разработал новый имплантат, работая в Мемориальном институте Баттелла в Огайо. «Существуют миллионы различных способов, миллионы комбинаций, которые вы могли бы придумать для соединения нейронов и повторного соединения этих нейронов с мышцами».

Исследователи использовали алгоритмы машинного обучения для распаковки этих шаблонов, которые уникальны для каждого человека.

«На вас не будут смотреть как:« О, я теперь киборг, потому что у меня есть этот большой, огромный протез на моей руке », - сказал Буркхарт. «Это что-то более естественное и интуитивное для изучения, потому что я вижу, как реагирует моя собственная рука, когда я думаю о чем-то, и это просто твои нормальные мысли».

Руки высшие

В 2004 году опрос попросил 681 человека с параличом - парализованным (как Burkhart) и параличом (с параличом ноги) - оценить функции, которые они больше всего хотели бы восстановить. Восстановление движения к рукам и рукам возглавило список.

«Во главе этого списка для людей, которые не могли использовать свои руки и ноги, была функция руки и руки», - говорит невролог и инженер Ли Хохберг из Университета Брауна, который не принимал непосредственного участия в исследовании Буркхарта. «Возможность восстановить эти способности своими собственными конечностями - это во многом мечта для исследования и надежда для миллионов людей с параличом». Это действительно раннее исследование. Это не то, что обернется завтра и станет полезным клиническим продуктом, который поможет людям с параличом.

Он должен знать. Хохберг является одним из главных исследователей BrainGate , 20-летний нейроинженерный проект это разработало технологию позади имплантата Burkhart.

Хохберг высоко оценил исследование, но также предупредил, что исследование является предварительным: «Это действительно раннее исследование. Это не то, что обернется завтра и станет полезным клиническим продуктом, который поможет людям с параличом ».

Это верно по ряду причин. Например, Burkhart может использовать только электронный рукав и все остальное оборудование внутри лаборатории. Оказавшись там, он должен переучить свой мозг, чтобы управлять рукавом.

«Первоначально мы проводили короткую сессию, и я чувствовал, что я был полностью и морально утомлен и истощен. Прямо на шестим или семичасовом экзамене », - сказал Буркхарт.

По его словам, период реинтродукции стал намного проще, поэтому для повторного знакомства и изучения новых задач требуется меньше времени. Алгоритмы машинного обучения помогают этой перекалибровке, приспосабливаясь, когда его ум приспосабливается.

Тем не менее, его тело в какой-то степени работает против чужеродных электродов в его голове. Их способность улавливать нервные сигналы со временем угасла.

«Нам пришлось по-настоящему разработать новые способы, чтобы продолжать получать хороший сигнал, и который действительно может обеспечить эту способность иметь естественное движение», - сказал Бутон, который сейчас работает в Институте медицинских исследований им. Файнштейна в Нью-Йорке. «Что мы сделали, так это послушали большие группы нейронов. Эти нейроны, которые находятся внутри и вокруг этого электродного массива в мозге. Это сработало очень хорошо. Эти типы сигналов выглядят все еще очень хорошо в течение почти двухлетнего периода для этого исследования ».

Пациент Ян Буркхарт, сидя, позирует с членами исследовательской группы (слева направо), доктором Али Резаи и доктором Марси Бокбрейдер из Векснерского медицинского центра Университета штата Огайо и Ником Аннеттой из Баттелла во время тренировки по обходу нервной системы. Фото: Университет штата Огайо, Векснер, медицинский центр / Batelle

Другим препятствием для широкого использования является физическое ограничение оборудования. Вилки и провода громоздки и несколько опасны, если сталкиваются с чем-то другим.

Один из коллег Хохберга в Университете Брауна - Арто Нурмикко - разработал беспроводной прототип имплантата BrainGate, но пока только был проверен в нечеловеческие приматы и свиньи. Тем не менее, это устройство на базе Wi-Fi преодолело серьезное препятствие: пропускную способность.

По словам инженера-электрика Battelle Ника Аннетта, имплантанты, такие как луч Буркхарта, представляют собой гигабайт данных каждые три минуты. Это огромное количество данных, которые отбрасываются назад и вперед, и это должно произойти за доли секунды, необходимые для перемещения придатка. Wi-Fi-имплантат Nurmikko может передавать нейронные данные со скоростью 24 Мегабита в секунду, что примерно в два раза быстрее, чем лучшая сеть LTE для смартфона.

«Все еще существуют годы нейробиологии, инженерии и клинических исследований, которые необходимо сделать, чтобы достичь того, на что мы все надеемся, - стать ценным устройством, которое помогает людям с параличом», - сказал Хохберг.

Но в то же время Хохберг считает, что огромная заслуга участников этого исследования. Он сказал, что пациенты участвуют в этих исследованиях, будь то исследования BrainGate или другие, не потому, что они надеются на личную выгоду, а потому, что они хотят помочь в разработке и тестировании системы, которая поможет другим людям с параличом в будущем.

Резаи согласился: «Мы здесь из-за Яна и миллионов таких пациентов, как Иан, которые имеют физические недостатки. И успех исследования связан с Яном. Он здесь рок-звезда.

Новости

Где купить держатель для смартфона

Любой смартфон давно превратился неотъемлемым атрибутом повседневной жизни, который помогает не только поддерживать непрерывную связь с необходимыми людьми. Он также позволяет постоянно быть информированным