Mužovi implantovali čip do mozgu. Umožnil obnovenie jeho pohybových schopností a dotykov

Neuroveda hlási ďalší pokrok. Pomocou čipu implantovaného do mozgu mladého muža dokázali vedci obnoviť jeho stratený zmysel pre dotyk a tiež pohyb v ochrnutých končatinách. Tento úspech sa však nerodil ľahko.

Niekedy si ani len neuvedomujeme, akú zložitú prácu odvádza náš mozog a miecha aj pri tých najjednoduchších pohyboch. Svoje o tom vie Ian Burkhart, ktorého príbeh priniesol portál Wired. V roku 2010 utrpel úraz, pri ktorom bola jeho miecha prerušená, čo ovplyvnilo jeho schopnosť chodiť a rozsah pohybu jeho rúk obmedzilo na rameno a biceps, pričom takmer úplne stratil zmysel pre dotyk.

Po rokoch strávených prispôsobovaní sa svojej novej realite sa nakoniec zapojil do experimentálneho programu neziskovej výskumnej organizácii Bettelle NeuroLife v štáte Ohio. Neurovedci tak do jeho mozgu implantovali čip, ktorý mal za úlohu zlepšiť rozsahu pohybu rúk a umelo v nich obnoviť zmysel pre dotyk. Od implantovania čipu tak prešlo dlhých šesť rokov a Burkhart je opäť schopný cítiť predmety a má dostatočnú kontrolu nad svojou pažou, aby si zahral známu hru Guitar Hero.

Nová etapa života

Ťažké poškodenie miechy vo väčšine prípadov bráni signálom z mozgu dostať sa ku končatinám. Obmedzený je tak ich pohyb aj zmyslová spätná väzba. Závažnosť Burrkhartovho prípadu znamenala, že spojenie medzi jeho mozgom, pažami a nohami bolo úplne prerušené. Nedávne experimenty z neurovedy však naznačujú, že pri mnohých „úplných“ poraneniach miechy, možno až v polovici z prípadov, prežije niekoľko jej vlákien.

„Aj tento malý kontingent vlákien môže viesť k rozumnému signálu v mozgu,“ hovorí neurovedec Patrick Ganzer. Napriek tomu, že aj v prípade poškodenia miechy dokážu elektrické signály zodpovedajúce dotyku a pohybu putovať do a z mozgu, sú príliš slabé na to, aby si ich mohol paralyzovaný človek uvedomiť. Nič preto necíti a nemôže pohnúť rukou.

Ak by bolo možné zachytiť tieto slabé signály z mozgu, dekódovať ich význam a preniesť ich do končatín, bolo by možné obísť chrbticu a znova prepojiť mozog s telom.

Presne túto úlohu plní špeciálne rozhranie BCI a čip implantovaný do mozgu Burkharta, ktorý nie je o nič väčší ako zrno ryže. Jeho úlohou je monitorovať elektrické signály z primárnej motorickej kôry mozgu, respektíve oblasti, ktorá je zodpovedná za dobrovoľné pohyby.

Teória bola jasná, no prax skrývala mnoho problémov

Vedci z iných skupín preukázali, že je možné obnoviť pohyb postihnutých pacientov pomocou robotickej ruky a dokonca zaslať dotykové signály priamou stimuláciou ich mozgu. Spracovanie oboch týchto činností naraz a za pomoci vlastnej ruky ale zostalo pre Patricka Ganzera a jeho tým nepolapiteľné.

Zobraziť celú galériu (5)

Screenshot/YouTube/BattelleInnovations

Problém je v tom, že signály dotyku a pohybu sa v mozgu spolu miešajú. Každý pohyb alebo dotyk generuje jedinečný signál, pričom čip v Burkhartovej hlave prijíma naraz približne 100 rôznych signálov. Vedci tak museli vymyslieť spôsob, ako oddeliť myšlienky, respektíve signály, ktoré sa vyskytovali takmer súčasne a súviseli s pohybmi a sub-vnímavým dotykom, čo bola veľká výzva.

Ganzer a jeho kolegovia preto využili prepracovaný setup, ktorý spája mozog Burkharta s počítačom. Čip v jeho motorickej kôre tak vysiela elektrické signály cez port v zadnej časti lebky pomocou kábla. Softvér potom dekóduje mozgové signály a rozdelí ich na signály zodpovedajúce zamýšľaným pohybom a signály zodpovedajúce dotyku.

Zobraziť celú galériu (5)

Screenshot/YouTube/BattelleInnovations

Signály predstavujúce zamýšľané pohyby sú potom smerované do puzdra elektród obalených okolo Burkhartovho predlaktia a dotykové signály sú smerované do vibračného pásma okolo jeho hornej časti paže.

Vedci sa najprv zamerali na obnovenie pohybu. Burkhart hovorí, že pokrok bol spočiatku pomalý a vyžadoval, aby sa naučil premýšľať o pohybe ruky tak, aby generoval elektrické signály, ktoré by mohol počítač zachytiť.

Do roka ale čiastočne obnovil pohyb v ruke a netrvalo dlho, aby mal dostatok kontroly nad svojou pažou a mohol hrať upravenú verziu hry Guitar Hero. Nešlo však len o zábavu, ale úmysel. „Hranie videohier, ktoré si vyžadujú istý druh multitaskingu – počúvanie piesne, sledovanie načasovania a sledovanie myšlienok týkajúcich sa pohybu jedného prsta – dodáva ďalšiu úroveň zložitosti,“ hovorí Ganzer. Šlo tak o užitočný tréning.

S dotykom to nebolo o nič ľahšie

V druhej časti sa vedci zamerali na obnovenie dotykového zmyslu. Bez tejto spätnej väzby si uchopenie predmetov vyžadovalo Burkhartovu plnú pozornosť. Pokiaľ sa na uchopený predmet nedíval, nevedel povedať, či niečo drží alebo nie. Pridanie zmyslu pre dotyk do systému sa ale ukázalo ako oveľa ťažšie.

Problém bol v tom, že Burkhartovo rozhranie BCI nebolo navrhnuté pre tento druh vstupu. Čip zároveň nebol ani implantovaný na správnom mieste. Dotyk je registrovaný v somatosenzorickej kôre, ktorá sa nachádza za motorickou kôrou, kde sa nachádzal aj čip. Somatosenzorická kôra bola ale dostatočne „hlučným susedom“ a niektoré signály z nej boli čipom zachytené. Zostávalo už len zistiť, čo znamenajú.

Zobraziť celú galériu (5)

Screenshot/YouTube/Bloomberg

Vedci dokázali identifikovať jednotlivé dotykové signály na pozadí oveľa silnejších pohybových signálov tak, že cielené stimulovali časti končatín, kde mal Burkhart stále veľmi slabý zmysel pre dotyk. Program tak mohol rozdeliť signály prichádzajúce z Burkhartovho BCI rozhrania tak, že pohybové signály smerovali k elektródam okolo jeho predlaktia a dotykové signály zas do náramku na jeho hornej časti bicepsu.

To znamenalo, že signály slabého tlaku prenášané z jeho ruky na mozog sa mohli premeniť na vibrácie, ktoré by mu dali vedieť, že sa dotkol objektu. Počas skúšok s náramkom mohol Burkhart zistiť, kedy sa dotkol objektu takmer dokonalou presnosťou, aj keď ho nemohol vidieť. Náramok bol ale spočiatku jednoduché vibračné zariadenie, ktoré, buď vibrovalo, alebo bolo vypnuté.

Zobraziť celú galériu (5)

Screenshot/YouTube/BattelleInnovations

Ganzer a jeho kolegovia ho však zdokonalili tak, aby zmenil intenzitu vibrácií na základe toho, ako tvrdý alebo mäkký objekt Burkhart chytí. Je to podobné tomu, ako keď herné ovládače a mobilné telefóny poskytujú spätnú väzbu používateľom. „Je to určite zvláštne. Stále to nie je normálne, ale určite je to oveľa lepšie, ako keby sa do môjho tela nevracali žiadne senzorické informácie,“ povedal Burkhart.

Technológia sa vyvíja správnym smerom

Teraz, keď Ganzer a jeho kolegovia demonštrovali túto technológiu v laboratóriu, hovorí, že ďalším krokom je zlepšenie systému pre každodenné použitie. Tím už zmenil elektroniku použitú v systéme na krabicu o veľkosti VHS pásky, ktorú je možné pripevniť na invalidný vozík. Objemný systém elektród bol tiež zredukovaný na rukáv, ktorý sa dá relatívne ľahko nasadiť a odložiť. Burkhart dokonca nedávno použil systém prvýkrát doma a namiesto počítača ho ovládal pomocou tabletu.

Zobraziť celú galériu (5)

Screenshot/YouTube/BattelleInnovations

Systém síce má od dokonalosti ešte ďaleko, stále sa však jedná o veľký pokrok. V prvom rade ide skôr o zmyslovú substitúciu, ako o skutočné obnovenie dotyku vlastnej ruky. V druhom rade tento má tento prístup invazívnu povahu, čo znamená, že musí byť chirurgicky implantovaný.

Neinvazívne prístupy, ktoré nevyžadujú chirurgický zákrok, sú oblasťou aktívneho výskumu, ale táto technológia je stále veľmi mladá. Svet a technológie sa ale vyvíjajú a Burkhart je dôkazom, že sme na dobrej ceste.

Čítajte viac z kategórie: Novinky