脑植入物如何让瘫痪的人再次移动

脑植入物如何让瘫痪的人再次移动

像拿起一杯茶一样简单,需要从你的身体很多的行动。 你的胳膊肌肉起火,将手臂移向杯子。 你的手指肌肉打开你的手,然后弯曲你的手指在手柄周围。 你的肩膀肌肉保持你的手臂不会突出你的肩膀,而你的核心肌肉确保你不会因为杯子的重量而翻倒。 所有这些肌肉必须以精确和协调的方式开火,但你唯一有意识的努力是这样的想法:“我知道:茶!”

这就是为什么让一个瘫痪的肢体再次移动是如此困难。 大多数瘫痪的肌肉仍然可以工作,但是 他们与大脑的沟通已经失去了,所以他们没有收到指令开火。 我们还不能修复对脊髓的损伤,所以一种解决办法是绕过它,并人为地给肌肉提供指导。 而且,由于阅读和解释大脑活动的技术的发展,这些指导有一天可能直接来自患者的思维。

我们可以通过刺激肌肉发出瘫痪的肌肉,这些肌肉放置在肌肉内部或供给它们的神经周围,这种技术被称为 功能性电刺激 (FES)。 除了帮助瘫痪的人们移动之外,还可以用来恢复膀胱功能,产生有效的咳嗽并缓解疼痛。 这是一项令人着迷的技术,可以对脊髓损伤者的生活产生重大影响。

Dimitra Blana和她在Keele的同事们正在研究如何将这项技术与复杂的技术相匹配 操作手臂所需的指示。 如果你想拿起那杯茶,哪种肌肉需要开火,什么时间和多少钱? 发射指令是​​复杂的,而不仅仅是因为涉及大量的核心,肩膀,手臂和手指肌肉。 当你慢慢地喝下你的茶,那些说明会改变,因为杯子的重量会改变。 要做一些不同的事情,像刮你的鼻子,说明是完全不同的。

不要只是在麻痹的肌肉上尝试各种发射模式,希望找到一个有效的,你可以使用 肌肉骨骼系统的计算机模型 来计算它们。 这些模型是运动过程中肌肉,骨骼和关节是如何作用和相互作用的数学描述。 在模拟中,你可以使肌肉变得更强或更弱,“瘫痪”或“外部刺激”。 你可以快速安全地测试不同的发射模式,你可以让模型一遍又一遍地拿起他们的茶杯 - 有时比其他人更成功。

建模肌肉

为了测试这项技术,Keele的团队正在与该公司合作 克利夫兰FES中心 在美国,他们植入 直到24电极 进入研究参与者的肌肉和神经。 他们使用建模来决定放置电极的位置,因为在当前的FES系统中,比在电极处有更多的麻痹的肌肉。

如果你不得不选择,刺激肩胛下肌或冈上肌是否更好? 如果你刺激腋神经,你应该把电极之前或之后的分支到teres未成年人? 为了回答这些难题, 他们用不同的电极组进行模拟 并选择允许计算机模型进行最有效运动的模型。


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目前,球队正在肩膀上工作,这是由一组称为肩袖的肌肉稳定。 如果你的手臂发烧指示错误,可能是汤匙而不是黄油刀。 如果您对肩袖的指示错误,手臂可能会从肩膀上跳出。 对电脑模型来说不是一个好看的,但是他们不会抱怨。 研究参与者会不宽容。

知道如何激活瘫痪的肌肉产生有益的运动,如抓握,只是问题的一半。 我们还需要知道什么时候激活肌肉,例如,当用户想要拾取物体时。 一种可能性是直接从大脑中读取这些信息。 最近, 美国研究人员 使用植入物来聆听瘫痪个体大脑中的个体细胞。 因为不同的运动与不同的大脑活动模式相关联,所以参与者能够选择六个预先编程的运动中的一个,然后通过手部肌肉的刺激产生运动。

读大脑

这对于神经修复学领域来说是一个令人兴奋的进步,但是仍有许多挑战。 理想情况下,脑植入物需要持续数十年 - 目前甚至在数周内难以记录相同的信号,所以这些系统需要定期重新校准。 运用 新的植入物设计 or 不同的大脑信号 可能会提高长期的稳定性。

另外,植入物只能听到控制我们四肢的数百万个细胞的一小部分,所以可以读出的移动范围是有限的。 然而, 机器人肢体的大脑控制 实现了多个自由度(运动,旋转和抓取),并且该技术的能力正在迅速提高。

最后,我们通常认为理所当然的轻松动作是以丰富的感官反馈为指导,告诉我们手臂在太空中的位置,以及指尖触摸物体的位置。 但是,这些信号也可能在受伤后丢失 研究人员在工作 可能有一天恢复感觉和运动的大脑植入物。

一些科学家正在推测,大脑阅读技术可以帮助身体健康的人与计算机,手机甚至更高效地交流 直接交给别人的大脑。 然而,这仍然是科幻小说的领域,而医学应用的大脑控制正迅速成为临床实际。

作者简介

基尔大学生物医学工程研究员Dimitra Blana

纽卡斯尔大学Wellcome Trust高级研究员Andrew Jackson

这篇文章最初发表于 谈话。 阅读 原创文章.

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