麻痺歩行を可能にする脳インプラント

科学者は、一時的に麻痺した脚に意図的な歩行運動を回復させ、一対のアカゲザルで脊髄損傷をバイパスするために無線の「脳 - 脊髄インターフェース」を使用している。

研究者らは、非人類の霊長類の足に直接歩行運動を回復させるために神経補綴が使用されたのはこれが初めてであると言います。

「私たちが開発したシステムは、脳の運動野から記録された信号を用いて、運動を担う神経の協調的な電気刺激を引き起こします」とBrown Universityのエンジニアリング担当副教授David Bortonは述べています。その研究の 「システムをオンにすると、私たちの研究の動物はほぼ正常な運動をしました。」

この研究は、脊髄損傷を有するヒトのために設計された同様のシステムを開発するのに役立つ可能性がある。

コミュニケーションを再確立する

「脳で制御された脊髄刺激システムが脊髄損傷後にリハビリを強化する可能性を示唆する証拠があります」とBorton氏は言います。 "これはその可能性をさらにテストするための一歩です。"

共同研究を率いたEcole Polytechnique Federale Lausanne(EPFL)の教授であるGrégoireCourtine教授は、スイスで臨床試験を開始し、界面の背骨部分を検査しました。 彼は次のように警告している。「先行する課題は数多くあり、この介入のすべての要素が人々にテストされるまでには数年かかるだろう。


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脳と脊髄のニューロン間の複雑な相互作用のため、歩行が可能です。 脳の運動皮質で発生する電気信号は、脊髄下部の腰部に伝わり、そこで運動ニューロンを活性化して、脚の伸展と屈曲に関与する筋肉の動きを調整します。

上の脊柱への傷害は、脳と下脊髄との間の通信を遮断することができる。 運動皮質および脊髄ニューロンは、完全に機能し得るが、それらの活動を調整することはできない。 この調査の目的は、そのコミュニケーションの一部を再確立することでした。

脳 - 脊椎境界面は、脳に植え込まれたピルサイズの電極アレイを使用して、運動皮質からの信号を記録する。 このセンサー技術は、ブラウン、ケースウェスタンリザーブ大学、マサチューセッツ総合病院、プロビデンスVAメディカルセンター、スタンフォード大学を含む研究チームであるブレインゲート共同研究によって人間の治験用途の一部として開発されました。

この技術は、進行中のパイロット臨床試験に使用されており、 研究 茶色のニューロエンジニア、リー・ホッハベルグ(Leigh Hochberg)が率いる四肢麻痺の人々は、自分の手の動きを考えるだけでロボットアームを操作することができました。

Borton氏を含むチームによってBrown教授のArto Nurmikkoの神経工学研究所で開発された無線神経センサーは、脳チップによって収集された信号を無線でコンピュータに送信し、コンピュータを解読して腰椎に埋め込まれた脊髄刺激装置脊椎の損傷部位の下にある。 解読された脳によって調整されたパターンで送達されるその電気刺激は、運動を制御する脊髄神経に信号を送る。

研究者らは、脳信号の解読を較正するために、健康なマカクに脳センサーと無線送信機を埋め込んだ。 センサによって中継された信号は、動物の脚の動きにマッピングすることができます。 彼らは、デコーダが脚の筋肉の伸展および屈曲に関連する脳の状態を正確に予測できることを示した。

ワイヤレスは重要です

Borton氏は、脳信号を無線で送信する能力はこの研究にとって非常に重要だと述べています。 有線の脳感知システムは動きの自由を制限し、研究者が歩行について集めることができる情報を制限する。

「これを無線で行うことで、正常な状況や自然な行動の中で神経活動をマッピングできます」とBorton氏は言います。 「日常生活の中で人間の患者を助けるためにいつか展開できる神経造影を真に目的とするなら、そのような録音技術は不可欠です」

現在の作業については、 自然研究者らは、脳信号が歩行運動にどのように影響するかについての理解を、EPFLのCourtineの研究室で開発された脊髄マップと組み合わせて、歩行制御を担う脊椎の神経のホットスポットを特定した。 これにより、チームは脊髄インプラントによって刺激されるべき神経回路を特定することができました。

これらの部分を配置した後、研究者らは、胸椎の脊髄の半分に及ぶ病変を有する2頭のマカクで全身を検査した。 このような怪我をしたマカクは、一般的に1ヵ月間に罹患した脚の機能的制御を回復すると研究者らは言う。 このチームは、怪我の後数週間、罹患した脚の意志決定権がないまま、システムをテストしました。

この結果は、システムをオンにすると、トレッドミルを歩いている間に動物が自発的に足を動かし始めたことを示しています。 健常対照とのキネマティック比較は、病変化したマカクが、脳制御刺激の助けを借りて、ほぼ正常な運動パターンを生成することができたことを示した。

ヒト以外の霊長類でこのシステムが機能することを実証することは重要なステップですが、研究者は、ヒトのシステムの試験を開始するためにはもっと多くの作業が必要であると強調しました。 彼らはまた、研究のいくつかの制限を指摘した。

例えば、この研究で使用されたシステムは、脳から脊椎に信号をうまく伝達したが、感覚情報を脳に戻す能力が欠けている。 チームはまた、動物が罹患した脚にどれくらいの圧力をかけることができたかを試験することもできなかった。 手足がいくらか重量を持っていたことは明らかでしたが、この作業からはどれくらいの量が明らかかはわかりませんでした。

「完全な翻訳研究では、歩行中に動物がどの程度バランスが取れているかをより定量化し、適用できる力を測定したいと考えています」とBortonは言います。

限界にもかかわらず、研究は霊長類における将来の研究の段階を定め、ある時点ではヒトのリハビリ助成の可能性もあると考えている。

「神経科学には、一緒に発火する回路が一緒に結びつくという諺があります」とBortonは言います。 「ここでの考えは、脳と脊髄を結び付けることによって、リハビリ中に回路の成長を促進することができるということです。 それはこの仕事の主要な目標の1つであり、この分野の目標は一般的です。

資金は、欧州共同体の第XNUMXフレームワークプログラム、欧州研究評議会からの助成金を開始するパラプレジア研究のための国際財団、ジュネーブのウィスセンターマリーキュリーフェローシップ、マリーキュリーCOFUND EPFLフェローシップ、メドトロニックモートンキュア麻痺基金フェローシップ、NanoTera.chから提供されました。プログラム、ロボティクスシネルジア研究の国立能力センタープログラム、中スイス科学技術協力、およびスイス国立科学財団。

情報源: ブラウン大学

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