Implan Otak yang Memungkinkan Monyet lumpuh Berjalan

Para ilmuwan telah menggunakan "antarmuka otak-belakang" nirkabel untuk memotong cedera tulang belakang pada sepasang kera rhesus, mengembalikan gerakan berjalan yang disengaja ke kaki yang sementara lumpuh.

Periset mengatakan ini adalah pertama kalinya sebuah prostetik saraf telah digunakan untuk mengembalikan gerakan berjalan langsung ke kaki primata bukan manusia.

"Sistem yang kami kembangkan menggunakan sinyal yang direkam dari korteks motorik otak untuk memicu stimulasi listrik terkoordinasi saraf di tulang belakang yang bertanggung jawab untuk penggerak," kata David Borton, asisten profesor teknik di Brown University dan seorang penulis utama. dari penelitian. "Dengan menghidupkan sistem, hewan-hewan di penelitian kami memiliki gerak yang hampir normal."

Pekerjaan itu bisa membantu dalam mengembangkan sistem serupa yang dirancang untuk manusia yang memiliki cedera tulang belakang.

Membangun kembali komunikasi

"Ada bukti yang menunjukkan bahwa sistem stimulasi tulang belakang yang dikendalikan otak dapat meningkatkan rehabilitasi setelah cedera tulang belakang," kata Borton. "Ini adalah langkah menuju pengujian lebih lanjut kemungkinan itu."

Grégoire Courtine, seorang profesor di Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL) yang memimpin kolaborasi tersebut, telah memulai uji coba klinis di Swiss untuk menguji bagian belakang antarmuka. Dia memperingatkan: "Ada banyak tantangan di masa depan dan mungkin diperlukan beberapa tahun sebelum semua komponen intervensi ini dapat diuji pada manusia."


grafis berlangganan batin


Berjalan dimungkinkan karena interaksi yang kompleks antara neuron di otak dan sumsum tulang belakang. Sinyal listrik yang berasal dari korteks motorik otak berjalan ke daerah lumbar di sumsum tulang belakang bawah, di mana mereka mengaktifkan neuron motorik yang mengoordinasikan gerakan otot yang bertanggung jawab untuk meregangkan dan meregangkan kaki.

Cedera pada tulang belakang bagian atas dapat memotong komunikasi antara otak dan menurunkan sumsum tulang belakang. Baik korteks motor maupun neuron tulang belakang dapat berfungsi penuh, namun tidak dapat mengkoordinasikan aktivitasnya. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membangun kembali beberapa komunikasi itu.

Antarmuka otak-tulang belakang menggunakan elektroda array seukuran pil yang ditanamkan di otak untuk merekam sinyal dari korteks motor. Teknologi sensor dikembangkan sebagian untuk penggunaan investigasi pada manusia oleh kolaborasi BrainGate, tim peneliti yang mencakup Brown, Case Western Reserve University, Rumah Sakit Umum Massachusetts, Providence VA Medical Center, dan Universitas Stanford.

Teknologi ini digunakan dalam percobaan klinis percontohan yang sedang berlangsung, dan sebelumnya digunakan dalam a belajar dipimpin oleh Brown neuroengineer Leigh Hochberg di mana orang-orang dengan tetraplegia mampu mengoperasikan lengan robot hanya dengan memikirkan gerakan tangan mereka sendiri.

Sebuah neurosensor nirkabel, yang dikembangkan di laboratorium neuroengineering profesor Brown Arto Nurmikko oleh tim yang mencakup Borton, mengirimkan sinyal yang dikumpulkan oleh chip otak secara nirkabel ke komputer yang menerjemahkannya dan mengirimkannya secara nirkabel ke stimulator spinal listrik yang ditanamkan di lumbal. tulang belakang, di bawah area luka. Stimulasi listrik tersebut, disampaikan dalam pola yang dikoordinasikan oleh otak yang didekode, menandakan pada saraf tulang belakang yang mengendalikan penggerak.

Untuk mengkalibrasi penguraian sinyal otak, para peneliti menanamkan sensor otak dan pemancar nirkabel pada kera sehat. Sinyal yang disampaikan oleh sensor kemudian bisa dipetakan ke gerakan kaki hewan. Mereka menunjukkan bahwa decoder mampu memprediksi secara akurat keadaan otak yang terkait dengan perpanjangan dan fleksi otot-otot kaki.

Nirkabel sangat penting

Kemampuan untuk mengirimkan sinyal otak secara nirkabel sangat penting untuk pekerjaan ini, kata Borton. Sistem penginderaan otak yang berkabel membatasi kebebasan bergerak, yang pada gilirannya membatasi informasi yang dapat dikumpulkan peneliti tentang penggerak.

"Melakukan hal ini secara nirkabel memungkinkan kita memetakan aktivitas saraf dalam konteks normal dan selama perilaku alami," kata Borton. "Jika kita benar-benar bertujuan untuk neuroprostetis yang suatu hari nanti dapat digunakan untuk membantu pasien manusia selama aktivitas kehidupan sehari-hari, teknologi perekaman tanpa penutup semacam itu akan sangat penting."

Untuk pekerjaan saat ini, diterbitkan di Alam, Para peneliti menggabungkan pemahaman mereka tentang bagaimana sinyal otak mempengaruhi penggerak dengan peta tulang belakang, yang dikembangkan oleh lab Courtine di EPFL, yang mengidentifikasi titik api saraf di tulang belakang yang bertanggung jawab atas kontrol lokomotor. Itu memungkinkan tim untuk mengidentifikasi sirkuit saraf yang harus distimulasi oleh implan tulang belakang.

Dengan potongan-potongan ini, para peneliti kemudian menguji keseluruhan sistem pada dua kera dengan lesi yang membentang setengah sumsum tulang belakang di tulang belakang toraks mereka. Kera dengan jenis cedera ini umumnya mendapatkan kembali kendali fungsional kaki yang terkena dampak selama sekitar satu bulan atau lebih, kata periset. Tim menguji sistem mereka dalam minggu-minggu setelah cedera, saat masih belum ada kontrol penuh atas kaki yang terkena.

Temuan menunjukkan bahwa dengan sistem dihidupkan, hewan mulai secara spontan menggerakkan kaki mereka saat berjalan di atas treadmill. Perbandingan kinematis dengan kontrol sehat menunjukkan bahwa kera yang lesi, dengan bantuan stimulasi yang dikendalikan oleh otak, mampu menghasilkan pola lokomotor yang hampir normal.

Sementara menunjukkan bahwa sistem tersebut bekerja dalam primata bukan manusia merupakan langkah penting, para periset menekankan bahwa masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk mulai menguji sistem pada manusia. Mereka juga menunjukkan beberapa keterbatasan dalam penelitian ini.

Misalnya, sementara sistem yang digunakan dalam penelitian ini berhasil menyampaikan sinyal dari otak ke tulang belakang, ia tidak memiliki kemampuan untuk mengembalikan informasi sensorik ke otak. Tim ini juga tidak dapat menguji seberapa banyak tekanan yang dapat dilakukan hewan tersebut terhadap kaki yang terkena dampak. Meski sudah jelas bahwa anggota badan itu mengandung sedikit bobot, tidak jelas dari pekerjaan ini.

"Dalam sebuah studi translasi penuh, kami ingin melakukan lebih banyak kuantifikasi tentang bagaimana keseimbangan hewan selama berjalan dan mengukur kekuatan yang dapat mereka terapkan," kata Borton.

Meskipun ada keterbatasan, penelitian ini menetapkan tahap untuk studi masa depan pada primata dan, pada titik tertentu, berpotensi sebagai bantuan rehabilitasi pada manusia.

"Ada pepatah dalam ilmu saraf yang menghubungkan sirkuit api bersama-sama," kata Borton. "Idenya di sini adalah bahwa dengan melibatkan otak dan sumsum tulang belakang bersama, kita mungkin dapat meningkatkan pertumbuhan sirkuit selama rehabilitasi. Itulah salah satu tujuan utama dari karya ini dan tujuan bidang ini pada umumnya. "

Pendanaan berasal dari Program Kerangka Kerja Ketujuh Komunitas Eropa, Yayasan Internasional untuk Penelitian di Paraplegia, Mulai Hibah dari Dewan Riset Eropa, Pusat Wyss di Jenewa Marie Curie Fellowship, Marie Curie COFUND EPFL fellowship, Medtronic Morton Cure Paralysis Fund fellowship, NanoTera.ch Program, Pusat Kompetensi Nasional dalam Penelitian dalam program Robotika Sinergia, Kerjasama Sains dan Teknologi Sino-Swiss, dan Yayasan Sains Nasional Swiss.

Sumber: Brown University

{youtube}pDLCuCpn_iw{/youtube}

Buku terkait:

at Pasar InnerSelf dan Amazon