脑部运作肌肉刺激恢复猴子的手运动后瘫痪

人造大脑和肌肉之间的连接可以恢复复杂猴子的手运动瘫痪后,根据一项研究由美国国立卫生研究院资助的。

在《华尔街日报》的一份报告中自然,研究人员描述了他们如何结合两块技术创建一个neuroprosthesis——一种设备,替换丢失或受损的神经系统的功能。一块是一个多极阵列直接植入到大脑作为脑机接口(BCI)。数组允许研究人员检测到大约100个脑细胞的活动和对信号进行解码,生成的手臂和手的动作。第二块是一个功能性电刺激(FES)设备提供电流的瘫痪肌肉,使它们的合同。大脑数组直接激活菲斯设备,绕过脊髓允许故意,人脑控制肌肉收缩和恢复运动。

研究小组是由李·e·米勒,生理学教授博士在芝加哥西北大学范伯格医学院的。测试neuroprosthesis之前,米勒博士的团队记录了两个健康的猴子的大脑和肌肉活动的动物进行了任务要求他们伸出,抓住一个球,并释放它。研究人员使用的数据人脑控制菲斯设备确定的肌肉活动模式预测的大脑活动。

测试装置,研究人员给猴子麻醉本地块神经活动肘部,造成暂时的麻痹的手。借助neuroprosthesis,猴子恢复运动瘫痪,可以打包离开球近程的方式,完成任务。

米勒博士的研究小组还执行握力测试,并发现他们的系统恢复精度的把握能力。设备允许自愿和故意调整力和握力,这是执行日常任务自然和成功的关键。

这项新的研究超越早期作品米勒博士的小组显示一个类似neuroprosthesis恢复猴子flex或扩展的能力手腕尽管瘫痪。这些神经工程方法,我们可以把一些重要的基本生理,我们知道大脑,并使用它直接连接大脑的肌肉,”米勒博士说。“这连接大脑瘫痪肌肉可能有一天被用来帮助病人由于脊髓损伤进行日常生活活动,实现更大的独立性。”

埃伯哈德菲尔兹领导的研究小组,在2008年,西雅图华盛顿大学的博士耦合的单一神经元的活动一菲斯设备类似于一个用于米勒的研究。猴子学会了个体神经元激活控制菲斯设备和移动操纵杆,并能适应神经元与手腕运动无关之前完成任务。(参见“科学家通过人工脑力恢复瘫痪肢体运动连接”)研究人员表明,学习和适应的过程中发挥着重要作用BCI如何将大脑活动的模式转换为菲斯装置的自适应控制。

球的独特设计grasp-and-release任务使用的动物在这个研究进一步贡献先进neuroprosthetic测试和开发。Daofen Chen博士,国家卫生研究院的项目主管国家神经疾病和中风研究所(研究所),描述了该领域的研究人员正在努力向设备将超越简单的手臂动作,让细手和手指的动作。“我们学到了很多从非人类的灵长类动物的研究集中在理解神经控制手臂和手腕的活动,”陈博士说。”米勒博士的研究建立在这些努力和专注于复杂的手和手指的动作需要把握一个对象。”

菲斯设备目前用于脚下降,在中风患者临床条件或部分脊髓损伤,肌肉薄弱或瘫痪导致脚趾抓在地上,散步,旅行和瀑布。菲斯可以用鞋传感器被激活,或配合步行运动,刺激肌肉和抬起脚趾在适当的时候在一个步骤。

其他菲斯设备在当前临床使用利用患者的残留肌肉活动。例如,假肢可以使用传感器内置的肩膀,传感耸运动,用于刺激肌肉来打开或关闭。然而,这是一个精确的和自然的控制方法,它不是一个选择更高级别的脊髓损伤患者,很少或根本没有肩膀和手臂的运动。对于这些患者来说,建立一个人脑控制菲斯设备直接连接大脑活动肌肉刺激将提供一个机会来恢复手的功能。

在当前的研究中使用的临时神经阻滞是瘫痪的一个有用的模型,但它不复制慢性经过长时间的大脑和发生的变化脊髓受伤,米勒博士警告说。他说接下来的步骤包括测试这个系统在长期的灵长类动物模型麻痹,研究大脑如何继续使用这个neuroprosthesis变化。