Gelähmte Menschen haben jetzt die Möglichkeit, die Bewegung der Gliedmaßen wiederherzustellen, indem sie die Kraft des Denkens kontrollieren. Eine Gruppe von Forschern der Case Western Reserve University hat das erste implantierbare System zur Aufzeichnung der Aktivität und Muskelstimulation des Gehirns entwickelt, das die Bewegung von Armen und Händen bei Patienten mit Lähmungen wiederherstellt.
Das System umfasst eine Neuro-Computer-Schnittstelle mit im Schädel eingebetteten Aufzeichnungselektroden und einer funktionellen elektrischen Stimulation (
FES ). Die erste Person, die die Technologie testete, war der 56-jährige Einwohner von Cleveland, Bill Kochevar, der infolge eines Unfalls unter seinen Schultern gelähmt war. Mit ihrer Hilfe stellte er die Bewegung von Armen und Händen wieder her.
„Unsere Studie befindet sich in einem frühen Stadium, aber wir glauben, dass diese Neuroprothese Menschen mit Lähmungen die Möglichkeit bieten kann, die Handfunktion für die täglichen Aktivitäten wiederherzustellen. Diese Technologie ermöglicht es einer gelähmten Person, ein Objekt zu erreichen und es zu nehmen, dh sie kann essen und trinken. Mit der Weiterentwicklung kann die Technologie eine präzisere Steuerung ermöglichen und den möglichen Aktionsbereich erweitern “, sagte der Hauptautor der Studie, Bolu Ajiboye.
Das Kochevar-Experiment ist Teil des klinischen Studienprogramms BrainGate, das von einem Konsortium aus akademischen und medizinischen Einrichtungen durchgeführt wird, um die Sicherheit und Wirksamkeit des Neuro-Computer-Schnittstellensystems bei Menschen mit Lähmungen zu bewerten. Andere Untersuchungen von BrainGate haben gezeigt, dass Menschen
den Cursor auf einem Computerbildschirm oder mit einem
Roboterarm steuern können.
Jonathan Miller, Assistenzprofessor für Neurochirurgie an der Medizinischen Fakultät der Case Western Reserve University, leitete ein Team von Chirurgen, die zwei 96-Kanal-Elektrodenarrays auf die Oberfläche des Gehirns implantierten. Dann implantierten sie 36 Elektroden der FES-Systeme, die die Muskeln im Ober- und Unterarm revitalisieren.
Arrays zeichnen Gehirnsignale auf, wenn Kochevar die Bewegung seiner Hand oder seines Arms als Ganzes darstellt. Die Neurocomputer-Schnittstelle decodiert die aufgezeichneten Informationen aus den Gehirnsignalen darüber, welche Bewegungen sie ausführen möchte, und wandelt sie dann vom FES-System in elektrische Impulsmuster um, um das elektrische Stimulationssystem zu steuern.
Durch die FES-Elektroden gesendete Impulse aktivieren die Muskeln, die Schultern, Ellbogen und Handgelenke steuern. Um die Schwerkraft zu überwinden, die es ihm sonst nicht erlauben würde, seine Hand zu heben und zu strecken, verwendet Kochevar eine mobile Unterstützung für seine Hände, die ebenfalls unter der Kontrolle seines Gehirns steht.
Vor der Implantation lernte Kochevar zunächst, seine Gehirnsignale zu verwenden, um seine Hände in der virtuellen Realität auf einem Computerbildschirm zu bewegen. Als sich Kochevars Fähigkeit, seinen virtuellen Arm zu bewegen, in den nächsten vier Monaten des Trainings verbesserte, schlugen die Forscher vor, dass er seinen Arm und seine Hand kontrollieren könnte.
Acht Jahre Muskelatrophie erforderten eine Rehabilitation. Die Forscher führten zyklische Verfahren zur elektrischen Stimulation von Arm und Hand von Kochevar durch. Seit 45 Wochen haben sich seine Kraft, Bewegungsfreiheit und Ausdauer deutlich verbessert. Als er versuchte, seine Hand zu bewegen, stellten Wissenschaftler Stimulationsmuster auf, um seine motorischen Fähigkeiten zu entwickeln.
Jetzt kann der Patient jeden Gedanken im Gelenk seiner rechten Hand zwingen, sich individuell zu bewegen. Oder indem er einfach an Essen oder Trinken denkt, bringt er die Muskeln in eine koordinierte Bewegung. Auf die Frage, wie er die Bewegung seiner Hände befiehlt, antwortete Kochevar: „Ich bewege sie ohne besondere Anstrengung. Ich denke nur darüber nach und es funktioniert. “
Die Forscher stellen fest, dass die Leistung, die erforderlich ist, um die Technologie außerhalb des Labors einzusetzen, nicht so weit von der Realität entfernt ist. Derzeit wird an der Herstellung drahtloser Implantate für das Gehirn gearbeitet, und die Forscher verbessern die Dekodierungs- und Stimulationsschemata, die zur genaueren Bestimmung von Bewegungen erforderlich sind. Voll implantierbare FES-Systeme wurden bereits entwickelt und werden in separaten klinischen Studien getestet.
Die BrainGate-Forschungstechnologie wurde ursprünglich an der Brown University im Labor von John Donoghue entwickelt, dem heutigen Gründer des Wyss Bio and Neuroengineering Center in Genf. Implantierbare Aufzeichnungselektroden, bekannt als Utah-Arrays, wurden ursprünglich von Richard Norman, emeritierter Professor für Bioingenieurwesen an der Universität von Utah, entworfen.
doi:
http://dx.doi.org/10.1016/S0140-6736(17)30601-3