Невропротезиране: Възстановява се от нараняване, използвайки силата на ума ви

Невропротезата, известен също като мозъчно-компютърни интерфейси, са устройства, които помагат на хората с двигателни или сензорни увреждания да възвърнат контрола над своите сетива и движения, като създават връзка между мозъка и компютъра. С други думи, тази технология позволява на хората да се движат, чуват, виждат и докосват, използвайки силата на мисълта сами. Как функционират невропротезите? Разглеждаме пет важни пробиви в тази област, за да видим докъде сме дошли – и колко по-далеч можем да отидем – използвайки само силата на нашите умове.

Всяка година стотици хиляди хора по целия свят губят контрол над крайниците си в резултат на увреждане на гръбначния мозък. В Съединените щати до 347 000 души живеят с травма на гръбначния стълб (SCI), а почти половината от тези хора не могат да се движат от врата надолу.

За тези хора невропротестическите устройства могат да предложат една много необходима надежда.

Мозъчните компютърни интерфейси (BCI) обикновено включват електроди – поставени върху човешкия череп, на мозъчната повърхност или в мозъчната тъкан – които наблюдават и измерват мозъчната дейност, която се получава, когато мозъкът "мисли" за мисъл. Моделът на тази мозъчна активност след това се "превежда" в код или алгоритъм, който се "храни" в компютър. Компютърът на свой ред превръща кода в команди, които произвеждат движение.

Невропротезите не са полезни само за хора, които не могат да движат ръцете и краката си; те също така помагат на тези със сензорни увреждания. Световната здравна организация (СЗО) изчислява, че приблизително 360 милиона души по целия свят имат увреждаща форма на загуба на слуха, докато други 39 милиона души са слепи.

За някои от тези хора невропротектиците като кохлеарни имплантанти и бионичните очи са им върнали сетивата и в някои случаи са им дали възможност да чуят или да видят за пръв път.

Тук разглеждаме пет от най-значимите развития в областта на невропротезните технологии, като гледаме как работят, защо са полезни и как някои от тях ще се развиват в бъдеще.

Имплант за ухото

Вероятно "най-старото" невропротезно устройство там, кохлеарни импланти (или ушни имплантанти) са били наоколо няколко десетилетия и са олицетворение на успешните невропротези.

Американската администрация по храните и лекарствата (FDA) одобри кохлеарните имплантанти още през 1980 г. и до 2012 г. почти 60 000 американски индивида са имали имплантанта. Навсякъде по света, повече от 320 000 души са имплантирали устройството.

Кохлеарният имплант работи чрез заобикаляне на повредените части на ухото и стимулиране на слуховия нерв със сигнали, получени чрез използване на електроди. Сигналите, предавани през слуховия нерв към мозъка, се възприемат като звуци, въпреки че слуха чрез имплантант на ухото е съвсем различен от обикновения слух.

Въпреки че несъвършените кохлеарни импланти позволяват на потребителите да разграничават речта лично или по телефона, медиите изобилстват с емоционални разкази на хора, които са могли да се чуят за първи път с помощта на това сензорно невропротезисно устройство.

Тук можете да гледате видеоклип на 29-годишна жена, която се занимава за пръв път с кохлеарна имплантация:

Очен имплант

Първата изкуствена ретина – наречена Argus II – е направена изцяло от електроди, имплантирани в окото и е одобрена от FDA през февруари 2013 г. По същия начин като кохлеарния имплантат, тази невропротеза заобикаля увредената част на ретината и предава сигнали, заснети от прикачена камера, към мозъка.

Това се прави чрез преобразуване на изображенията в светли и тъмни пиксели, които се превръщат в електрически сигнали. След това електрическите сигнали се изпращат до електродите, които на свой ред изпращат сигнала до оптичния нерв на мозъка.

Докато Argus II не възстановява напълно зрението, той дава възможност на пациентите с пигментоза на ретинита – състояние, което уврежда фоторецепторите на очите – да различават контурите и формите, които според много от пациентите правят значителна разлика в живота си.

Ретинит пигментоза е невродегенеративна болест, която засяга около 100 000 души в САЩ От одобрението на повече от 200 пациенти с ретинит пигментоза са имали имплантат Argus II, а компанията, която го е проектирала, работи понастоящем, за да направи възможно откриването на цветовете, както и да подобри разделителната способност на устройството.

Невропротези за хора със СЗО

Почти 350 000 души в САЩ се очаква да живеят с SCI, а 45% от тези, които са имали SCI от 2010 г. насам, се считат за тетраплегични – т.е. парализирани от врата надолу.

В наскоро докладвахме за един първокласен експеримент с един пациент, който позволи на човек с квадриплегия да премести ръцете си, използвайки чистата сила на мислите си.

Бил Кочевър разполагаше с електроди, монтирани хирургично в мозъка му. След обучението на BCI да "учи" мозъчната активност, която съответства на движенията, за които мислеше, тази дейност се превърна в електрически импулси, които след това се предаваха на електродите в мозъка му.

По същия начин, по който кохлеарните и визуалните имплантанти заобикалят повредената област, така и тази зона на BCI избягва "късо съединение" между мозъка и мускулите на пациента, създадени от SCI.

С помощта на тази невропротеза пациентът успява успешно да пие и да се храни. "Беше невероятно – казва Кочевар, – защото мислех, че ще ми премести ръката и го направих. Кохевар е първият пациент в света, който изпробва невропротестичното устройство, което понастоящем е достъпно само за изследователски цели.

Можете да научите повече за тази невропротетика от видеоклипа по-долу:

Това обаче не е мястото, където се спира невропротезата.Лабораторията "Courtine Lab", която се ръководи от неврологът Gregoire Courtine в Лозана, Швейцария, неуморно работи, за да помогне на ранените да възвърнат контрола върху краката си. Техните изследователски усилия с плъхове позволяват на парализираните гризачи да се разхождат, постигайки се чрез използване на електрически сигнали и стимулиране на нервите в отделената гръбначен мозък.

"Ние вярваме, че тази технология може един ден значително да подобри качеството на живот на хората, изправени пред неврологични разстройства", казва Силвестро Митера, съавтор на експеримента и невроинженер в Courtine Labs.

Наскоро проф. Courtine също така ръководи един международен екип от изследователи, който успешно създава доброволно движение на краката при маймуните резус. Това е първият път, когато се използва невропротезис, за да се даде възможност за ходене при нечовекоподобни примати.

Въпреки това "може да отнеме няколко години, преди всички компоненти на тази намеса да могат да бъдат тествани при хора", казва проф. Courtine.

Ръце, която се чувства

Силвестро Митера също е ръководила други проекти по невропротезис, сред които е и "усещането". През 2014 г. се съобщава за първата изкуствена ръка, подобрена със сензори.

Изследователите измерват напрежението в сухожилията на изкуствената ръка, което контролира движенията на хващането и го превръща в електрически ток. На свой ред, използвайки алгоритъм, това се превръща в импулси, които след това се изпращат до нервите в ръката, създаващи чувство за докосване.

Оттогава насам протезната ръка, която "усеща", се е подобрила още повече. Изследователи от университета в Питсбърг и Медицинския център на университета в Питсбърг, и двете в Пенсилвания, тестваха BCI на един пациент с квадриплегия: Нейтън Копланд.

Учените са имплантирали обвивка от микроелектроди под повърхността на мозъка на Копланд – а именно в основната им соматосензорна кора – и ги свързват с протетична ръка, която е снабдена със сензори. Това позволи на пациента да усети усещането за докосване, което му се струваше, сякаш принадлежало на собствената си парализирана ръка.

Докато беше с очила, Копланд успя да идентифицира кой пръст на протезната му ръка се докосваше. Усещанията, които възприемаше, се различаваха в интензивността и се чувстваха като различаващи се в натиска.

Невропротези за невроните?

Видяхме, че мозъчно контролираните протези могат да възстановят усещането за допир, слух, зрение и движение на пациентите, но можем ли да изградим протези за самия мозък?

Изследователи от Австралийския национален университет в Канбера успяха изкуствено да развият мозъчните клетки и да създадат функционални мозъчни вериги, проправяйки пътя за невропротезата на мозъка.

Чрез прилагане на нанотехническа геометрия върху полупроводникови пластини, д-р Вини Гаутам от Института по изследване на АНО и колеги дойде с скеле, което позволява на мозъчните клетки да растат и да се свързват синаптично.

Ръководителят на проекта д-р Винсънт Дария от Училището по медицински изследвания Джон Къртин в Австралия обяснява успеха на изследванията си:

"Ние успяхме да направим прогнозни връзки между невроните и да ги демонстрираме, че са функционални с синхронно изгаряне на неврони. Тази работа може да открие нов изследователски модел, който изгражда по-силна връзка между нанотехнологиите и невронауките".

Невропротезата за мозъка може един ден да помогне на пациентите, които са претърпели инсулт или живеят с невродегенеративни заболявания, да се възстановят неврологично.

Всяка година в САЩ почти 800 000 души са получили инсулт и повече от 130 000 души умират от нея. Невродегенеративните заболявания също са широко разпространени, като 5 милиона възрастни в САЩ смятат, че живеят с болестта на Алцхаймер, 1 милион имат Паркинсонова болест, а 400,000 – за множествена склероза.

Научете за най-новото начинание на Facebook: разработването на BCI.