2008-10-18
Amerykańscy naukowcy skonstruowali pierwszą protezę rdzenia kręgowego. Przywróciła władzę w ręce całkowicie sparaliżowanej małpki

"Drogi doktorze Birbaumer, jak wszyscy staram się czerpać z życia jak najwięcej, co nie zawsze jest proste. Od czasu do czasu czuję się sfrustrowany. Mimo to staram się być szczęśliwy i prawdę powiedziawszy, najczęściej mi się to udaje. Pański Hans Peter Salzmann" - pisał w 1999 r. do swego lekarza pacjent, którego nieuleczalna choroba układu nerwowego pozbawiła kontroli nad mięśniami. Został uwięziony w swoim ciele, bez możliwości jakiegokolwiek świadomego ruchu.

Niels Birbaumer, psycholog z Uniwersytetu w Tybindze, nauczył go komunikować się ze światem za pomocą myśli. Od tego czasu nastąpił lawinowy postęp w badaniach mających na celu pomoc sparaliżowanym. A dzisiejsze "Nature" przynosi wiadomość przełomową - naukowcy odkryli, jak przechwycić sygnał nerwowy mózgu i przekazać go bezwładnej kończynie z pominięciem uszkodzonego lub przerwanego rdzenia kręgowego.

Na początku było słowo
Interfejs skonstruowany przez zespół Birbaumera odczytuje fale mózgowe, tzw. wolny potencjał korowy. "To nie jest wcale takie trudne" - objaśnia całkowicie unieruchomiony Salzmann, który od czasu swego pierwszego listu udzielał już nawet wywiadów prasowych. "Najpierw buduję w mózgu napięcie - wyobrażam sobie obrazy, sytuacje, takie jak strzała i łuk z napiętą cięciwą czy uliczny semafor z mrugającym pomarańczowym światłem. Jednocześnie obserwuję poruszający się na ekranie komputera kursor. Kiedy wskazuje na literę, którą sobie upatrzyłem - bach - strzała zostaje wypuszczona, światła zmieniają się na zielone, samochody w mojej wyobraźni ruszają".

Oczywiście, to czasochłonna metoda porozumiewania się. - Ale kiedy się jest całkowicie sparaliżowanym, brak wolnego czasu nie jest największym problemem - mówił mi Birbaumer tej wiosny w Barcelonie. Jego interfejs przywraca chęć do życia ludziom zamkniętym w swoim ciele i pozbawionym kontaktu ze światem. Ale to dopiero początek.

Urządzenie rejestruje jedynie - jak mówi sam naukowiec - "szum, połączony bezładny jazgot, zapis aktywności wszystkich naraz komórek nerwowych mózgu". Chory może zmieniać świadomie intensywność tego sygnału i to wystarcza, by mógł poruszać kursorem z góry na dół, z prawej na lewą, a nawet, by był w stanie za pomocą myśli kierować ruchem wózka inwalidzkiego - skręcać, przyspieszać czy zatrzymywać się.

Jednak to na razie za mało, żeby obsługiwać całe sztuczne ciało czy chociażby protezę dłoni umożliwiającą samodzielne jedzenie. Żeby tego dokonać, trzeba z chóru pomrukujących neuronów mózgowych wybrać sygnał od poszczególnych komórek - tych, które zarządzają odpowiednią grupą mięśni.

Potem roboty poruszane myślą

Jeden z pierwszych sukcesów na tym polu odniósł Andrew Schwartz, neurobiolog na Uniwersytecie w Pittsburghu w USA. Wszczepił dwóm makakom do mózgu elektrody połączone z komputerem i mechanicznym ramieniem. Małpy nauczyły się kontrolować owo ramię tylko za pomocą myśli, zaczęły z czasem traktować maszynę jak dodatkową część ciała. Kontrolowały ją niemal tak samo sprawnie jak biologiczną kończynę, ba, sięgając po banany, oblizywały ją potem tak, jak zwykły czynić ze swoimi palcami.

Z kolei Miquel Nicolelis, neurobiolog z Duke University w Karolinie Północnej, nauczył małpkę ...kontrolować ruchy człekokształtnego robota. Poruszał się w oparciu o sygnały płynące z elektrod w jej mózgu.

Podobne elektrody wszczepiono do mózgu sparaliżowanego 24-letniego Matthew Nagle, który uczestniczył w eksperymencie Johna Donoghue, neurotechnologa z Brown University na Rhode Island. Elektrody pozwalały mu sterować kursorem na ekranie komputera, zmieniać programy telewizyjne czy choćby wyłączyć światło w pokoju, gdy pragnął odpocząć. "Wyniki eksperymentu dają nadzieję na to, że pewnego dnia sygnały wysyłane przez mózg pozwolą aktywować mięśnie kończyn" - deklarował Donoghue.

Ta wiekopomna chwila właśnie nadeszła.

A dziś by-pass rdzenia kręgowego

Grupie uczonych z Uniwersytetu Waszyngtona z Seattle udało się skonstruować urządzenie, które przekazuje sygnał od pojedynczego neuronu w korze ruchowej mózgu wprost do mięśni sparaliżowanej dłoni. Omijając uszkodzenie w rdzeniu kręgowym.

Efekt przeszedł najśmielsze oczekiwania. Jak informuje "Nature", małpki makaka, na których prowadzono eksperyment, mogły świadomie i celowo poruszać łapą, mimo że połączenie nerwowe pomiędzy ich kończyną a mózgiem było całkowicie zablokowane.

Urządzenie skonstruowane przez Cheta Moritza, Steve'a Perlmuttera i Eberharda Fetza można nazwać pierwszą protezą rdzenia kręgowego. Odczytuje aktywność pojedynczego mózgowego neuronu i zamienia ją na sygnał elektryczny pobudzający mięśnie do zaciśnięcia pięści. Co ważne, komórka nerwowa, do której w mózgu podłączano neuroprotezę, nie musi być wcale tą samą, która przed uszkodzeniem rdzenia sterowała mięśniami dłoni. Mózg okazywał się na tyle plastyczny, że uczył się przejmować kontrolę nad podłączoną do neuroprotezy dłonią niezależnie od tego, z którego dokładnie miejsca ruchowej kory mózgowej zbierała ona sygnały.

Trudno przecenić znaczenie tego odkrycia i nadziei, jakie daje wszystkim pozbawionym możliwości ruchu. Prototypowa neuroproteza zapewnia na razie połączenie między ciałem a jedną (w niektórych wersjach eksperymentu pięcioma) komórką mózgu i pozwala tylko na wykonanie najprostszych ruchów. Wydaje się to kroplą w morzu wobec zbioru blisko 100 mld neuronów w ludzkim mózgu. Niemniej elektronika rozwija się tak szybko, że udoskonalenie urządzenia, tak by było w stanie przenosić dużo bogatszy sygnał, jest kwestią najbliższych lat.

Większym problemem jest ciągle to, że aby wyłuskać sygnał od neuronów, konieczna jest brutalna ingerencja w mózg - wszczepienie cieniutkiej szczoteczki metalowych elektrod. A nawet najcieńsze i najdoskonalsze elektrody mogą być źródłem poważnej infekcji tego delikatnego organu. W dodatku po jakimś czasie tkanka nerwowa w okolicy elektrody pokrywa się bliznami i przestaje działać równie sprawnie jak poprzednio.

Rozwiązaniem byłoby udoskonalenie interfejsu doktora Birbaumera, który tylko wsłuchuje się z zewnątrz czaszki w pracę mózgu - tak żeby był w stanie odczytać aktywność poszczególnych komórek i przekazać je bezwładnej kończynie.

Nadesłał: Neodruk - wizytówki,reklama http://www.neodruk.za.pl