How Brain Implants Can Let Paralyzed People Move Again

お茶を拾うのと同じくらい簡単なことは、あなたの体から大変な行動が必要です。 あなたの腕の筋肉はあなたの腕をカップの方へ動かすために発砲します。 あなたの指の筋肉があなたの手を開き、ハンドルの周りに指を曲げるために発射します。 あなたの肩の筋肉はあなたの腕をあなたの肩から飛び出さないようにし、あなたの心の筋肉はあなたがカップの余分な重量のために転倒しないようにします。 これらの筋肉はすべて正確かつ調整された方法で発射しなければなりませんが、あなたの唯一の意識的な努力は「私は知っています:茶!

これは、麻痺した手足を再び動かすことが非常に困難である理由です。 ほとんどの麻痺した筋肉はまだ機能することができますが 脳とのコミュニケーションが失われている、彼らは発砲の指示を受けていません。 私たちはまだ脊髄への損傷を修復することができないので、それを回避し筋肉に人工的に指示を与えることです。 そして、脳の活動を読み、解釈するための技術の開発のおかげで、これらの指示はいつか患者の心から直接来ることができました。

私たちは、筋肉の中に、または筋肉の中に置かれた電極を刺激することによって、麻痺した筋肉を発火させることができます。 機能的電気刺激 (FES)。 麻痺した人々の移動を助けるだけでなく、膀胱機能の回復、効果的な咳の生成、痛みの緩和にも使用されます。 それは脊髄損傷を持つ人々の生活に大きな違いを生むことができる魅力的な技術です。

KeeleのDimitra Blana氏とその同僚たちは、この技術を複雑なセットとどのようにマッチさせるかについて取り組んでいます。 アームを操作するために必要な指示。 筋肉が発射する必要のある紅茶を、いつ、どれだけ拾いたいのですか? 発砲の指示は複雑で、コア、肩、腕、指の筋肉が多数あるだけでなく、 ゆっくりとお茶を飲むと、カップの重量が変わるので、指示が変わります。 あなたの鼻を傷つけるような、何か違うことをするために、指示は全く異なります。

麻痺した筋肉にさまざまな発砲パターンを試してみるのではなく、機能している筋肉を見つけることができます 筋骨格系のコンピュータモデル それらを計算する。 これらのモデルは、筋肉、骨および関節が運動中にどのように作用し相互作用するかについての数学的記述である。 シミュレーションでは、筋肉を強くするか弱くする、「麻痺させる」か「外部刺激する」ことができます。 さまざまな発砲パターンを迅速かつ安全にテストすることができます。また、モデルがお茶のカップを何度も何度も拾うことができます。


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筋肉のモデリング

この技術をテストするために、Keeleのチームは クリーブランドフェスセンター 米国では、彼らは移植する 24までの電極 研究参加者の筋肉や神経の中に入る。 彼らは、現在のFESシステムの電極よりも多くの麻痺した筋肉があるので、電極を配置する場所を決定するためにモデリングを使用する。

あなたが選択しなければならない場合は、肩甲骨または棘上筋を刺激する方が良いでしょうか? 腋窩神経を刺激する場合、枝の前後に電極を配置してください。 これらの難しい質問に答えるために、 彼らは異なる電極セットでシミュレーションを実行する コンピュータモデルが最も効果的な動きをすることを可能にするものを選択する。

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現在、チームは肩に取り組んでいます。肩は、回転腱板と呼ばれる一連の筋肉によって安定しています。 間違った腕の発射指示が出たら、バターナイフの代わりにスープスプーンに届くかもしれません。 回転カフに指示がないと、腕が肩から飛び出すことがあります。 それはコンピュータモデルのための良い見ていないが、彼らは不平を言うことはありません。 研究参加者はあまり許されないでしょう。

把持のような有用な動きを作り出すために麻痺した筋肉を活性化する方法を知ることは、問題の半分にすぎません。 また、筋肉を活性化する時期を知る必要があります。たとえば、ユーザーがオブジェクトをピックアップしたいときなどです。 1つの可能性は、この情報を脳から直接読み取ることです。 最近、 米国の研究者 麻痺した個体の脳の個々の細胞を聴くためにインプラントを使用した。 異なる運動が脳活動の異なるパターンに関連するので、参加者は、手の筋肉の刺激によって生成された6つの予めプログラムされた運動のうちの1つを選択することができた。

脳を読む

これは神経プロテーゼの分野にとってはエキサイティングなステップでしたが、多くの課題が残っています。 理想的には、脳移植は何十年も続く必要があります。現在、同じ信号を数週間にわたって記録することは難しいため、これらのシステムを定期的に再較正する必要があります。 使用 新しいインプラントデザイン or 異なる脳信号 長期安定性を改善することができる。

また、インプラントは、手足を制御する数百万の細胞のうちのほんの一部にしか耳を傾けないので、読み出すことができる動きの範囲は限られています。 しかしながら、 ロボットの手足の脳の制御 多自由度(移動、回転、把持)が達成され、この技術の能力は急速に進歩しています。

最後に、私たちが普通に受けている滑らかで楽な動きは、腕がどこにあるのか、指先が物に触れているのかを示す豊かな感覚フィードバックによって導かれます。 しかし、これらの信号は傷害の後でも失われる可能性があります。 研究者は働いている 脳インプラントは、ある日、感覚と運動を回復させるかもしれない。

一部の科学者は、頭脳の読み込み技術は有能な人がコンピュータ、携帯電話、さらには 他の脳に直接。 しかし、これはサイエンスフィクションの領域にとどまっているが、医学的応用のための脳制御は急速に臨床現場になっている。

著者について

Dimitra Blana、キール大学の生物工学研究員

Andrew Jackson、Wellcome Trustニューカッスル大学シニアリサーチフェロー

この記事は、最初に公開された 会話。 読む 原著.

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