让麻痹的猴子走路的脑植入物

科学家们用一个无线的“大脑 - 脊柱界面”来绕过一对猕猴的脊髓损伤,恢复故意行走到暂时麻痹的腿部。

研究人员说,这是神经修复术第一次被用来恢复直接到非人灵长类动物腿部的步行运动。

布朗大学工程学助理教授,联合主要作者David Borton说:“我们开发的系统使用大脑运动皮层记录的信号触发脊柱神经的协调电刺激,负责运动。的研究。 “打开系统后,我们研究中的动物几乎有正常的运动。”

这项工作可以帮助开发一个类似的系统,为有脊髓损伤的人设计。

重新建立沟通

Borton说:“有证据表明,大脑控制的脊髓刺激系统可以增强脊髓损伤后的康复。 “这是进一步测试这种可能性的一个步骤。”

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)教授GrégoireCourtine已经开始在瑞士进行临床试验,以测试界面的脊柱部分。 他警告说:“面前有很多挑战,可能需要几年的时间才能在人们身上测试干预措施的所有组成部分。”


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由于大脑和脊髓神经元之间存在复杂的相互作用,因此可以步行。 来自大脑运动皮层的电信号向下传播至下部脊髓的腰部区域,在那里它们激活运动神经元,协调协调负责伸展和弯曲小腿的肌肉的运动。

上部脊柱受伤可能会切断大脑和下部脊髓之间的通讯。 运动皮质和脊髓神经元都可能功能完善,但无法协调其活动。 这项研究的目标是重新建立一些沟通。

脑 - 脊柱界面使用植入大脑的药丸大小的电极阵列来记录来自运动皮质的信号。 这个传感器技术部分是由BrainGate合作研发的,该研究小组包括布朗,凯斯西储大学,马萨诸塞州总医院,普罗维登斯VA医学中心和斯坦福大学。

该技术正在用于正在进行的试验性临床试验中,并在之前被用于a 根据一项研究, 由布朗神经工程师Leigh Hochberg领导,其中四肢瘫痪的人可以简单地通过考虑自己的手的运动来操作机器人手臂。

布朗教授Arto Nurmikko的神经工程实验室开发的一种无线神经传感器,通过无线方式将大脑芯片采集到的信号发送给一台解码器,并无线发送回植入腰部的电刺激器脊椎,低于受伤区域。 电刺激以解码的大脑协调的模式传递,向控制运动的脊神经发出信号。

为了校准大脑信号的解码,研究人员在健康的猕猴中植入了大脑传感器和无线发射器。 然后由传感器传递的信号可以映射到动物的腿部动作上。 他们表明,解码器能够准确预测与腿部肌肉伸展和屈曲有关的大脑状态。

无线是关键

Borton说,无线传输大脑信号的能力对于这项工作至关重要。 有线的大脑感应系统限制了行动的自由,这反过来又限制了研究人员关于运动的信息。

Borton说:“通过无线方式实现这一功能,我们可以在正常情况下和自然行为中映射神经活动。 “如果我们真正的目标是在日常生活的活动中可能有一天能够部署来帮助人类患者的神经假体,那么这种不受限制的记录技术将是至关重要的。”

对于目前的工作,发表在 自然研究人员将他们对脑信号如何影响运动的理解结合起来,这个研究是由爱尔兰科学院的Courtine实验室开发的,该实验室确定了负责运动控制的脊柱神经热点。 这使得团队能够识别应该被脊柱植入物刺激的神经回路。

随着这些作品的落实,研究人员接着在两只猕猴身上测试了整个系统,这些猕猴病变跨越了胸椎脊髓的一半。 研究人员说,这种受伤类型的猕猴通常在一个月左右的时间内重新获得受影响腿的功能控制。 该小组在受伤后的几周内测试了他们的系统,当时仍然没有对受影响的腿进行意志控制。

调查结果显示,在系统打开的情况下,动物在跑步机上行走时开始自发地移动双腿。 与健康对照的运动学比较显示受损的猕猴借助于脑控制的刺激能够产生几乎正常的运动模式。

在证明该系统在非人类灵长类动物中工作是重要的一步的时候,研究人员强调,要开始在人体中测试系统,必须做更多的工作。 他们还指出了这项研究的几个局限性。

例如,虽然本研究中使用的系统成功地将信号从大脑传递到脊柱,但它缺乏将感觉信息返回到大脑的能力。 该团队也无法测试动物能够施加到受影响的腿多大的压力。 虽然很明显,肢体承受了一定的重量,但从这项工作中却不清楚多少。

Borton说:“在一项完整的翻译研究中,我们希望对行走过程中动物的平衡程度做更多的量化,并衡量它们能够应用的力量。

尽管有这些限制,这项研究为未来的灵长类动物研究提供了舞台,并在某种程度上可能成为人类的康复援助。

Borton说:“在神经科学领域有一句格言,就是电路一起起火。 “这里的想法是,通过将大脑和脊髓结合在一起,我们可以在康复期间增强电路的增长。 这是这项工作的主要目标之一,也是这个领域的总体目标。“

资金来自欧洲共同体的第七框架计划,国际截瘫研究基金会,来自欧洲研究理事会的起始赠款,日内瓦Wyss中心Marie Curie奖学金,Marie Curie COFUND EPFL奖学金,Medtronic Morton Cure瘫痪基金会奖学金,NanoTera.ch。该计划,国家机器人技术研究中心计划,中瑞科技合作和瑞士国家科学基金会。

Sumber: 布朗大学

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