Новая технология "мозг-машина" Северо-западной медицины передает сообщения от мозга непосредственно к мышцам - минуя спинной мозг - для обеспечения произвольного и сложного движения парализованной руки. Устройство в конечном итоге может быть протестировано на парализованных пациентах и, возможно, помочь им.

"Мы улавливаем естественные электрические сигналы мозга, которые сообщают руке, как двигаться, и посылаем эти сигналы непосредственно в мышцы", - сказал Ли Э. Миллер, заслуженный профессор неврологии имени Эдгара К. Штунца в Медицинской школе Фейнберга Северо-Западного университета и ведущий исследователь исследования, которое было опубликовано в Nature. "Эта связь между мозгом и мышцами может когда-нибудь быть использована, чтобы помочь пациентам, парализованным из-за травмы спинного мозга, выполнять повседневные действия и достичь большей независимости".

Исследование проводилось на обезьянах, электрические сигналы мозга и мышц которых регистрировались имплантированными электродами, когда они хватали мяч, поднимали его и выпускали в маленькую трубку. Эти записи позволили исследователям разработать алгоритм или "декодер", который позволил им обрабатывать сигналы мозга и предсказывать характер мышечной активности, когда обезьяны хотели переместить мяч.

Эти эксперименты были проведены Кристианом Этьером, научным сотрудником в докторантуре, и Эмили Оби, аспиранткой по неврологии, обе из Медицинской школы Фейнберга. Исследователи дали обезьянам местный анестетик, чтобы блокировать нервную активность в локте, вызывая временный, безболезненный паралич руки. С помощью специальных устройств в мозге и руке, которые вместе называются нейропротезом, сигналы мозга обезьян использовались для управления крошечными электрическими токами, которые менее чем за 40 миллисекунд доставлялись в их мышцы, заставляя их сокращаться и позволяя обезьянам подбирать мяч и выполнять задание почти так же хорошо, как они делали это раньше.

"Обезьяна не будет использовать свою руку идеально, но существует процесс моторного обучения, который, как мы думаем, очень похож на процесс, через который вы проходите, когда учитесь пользоваться новой компьютерной мышью или другой теннисной ракеткой. Все изменилось, и вы учитесь приспосабливаться к ним ", - сказал Миллер, также профессор физиологии, физической медицины и реабилитации в Фейнберге и руководитель лаборатории программы сенсомоторных показателей в Институте реабилитации Чикаго.

Поскольку исследователи вычислили взаимосвязь между активностью мозга и мышечной активностью, нейропротез фактически воспринимает и интерпретирует различные движения, которые обезьяна может захотеть совершить, теоретически позволяя ей совершать ряд произвольных движений руками.

"Это дает обезьяне добровольный контроль над своей рукой, который невозможен с современными клиническими протезами", - сказал Миллер.

Протез свободной руки - один из нескольких протезов, доступных пациентам, парализованным в результате повреждений спинного мозга, которые предназначены для восстановления способности хватать. При условии, что эти пациенты все еще могут двигать плечами, движение плечом вверх стимулирует электроды, чтобы рука сомкнулась, а движение плечом вниз стимулирует мышцы, чтобы рука раскрылась. Пациент также может выбрать, обеспечивает ли протез силовой захват, при котором все пальцы сжимаются вокруг предмета, такого как стакан для питья, или захват ключа, при котором тонкий предмет, подобный ключу, захватывается между большим и согнутым указательным пальцами.

В новой системе, разработанной Миллером и его командой, крошечный имплантат, называемый многоэлектродной матрицей, обнаруживает активность примерно 100 нейронов в мозге и служит интерфейсом между мозгом и компьютером, который расшифровывает сигналы, генерирующие движения рук.

"Мы можем извлечь значительный объем информации всего из 100 нейронов, хотя в совершении этого движения задействован буквально миллион нейронов", - сказал Миллер. "Одна из причин заключается в том, что это выходные нейроны, которые обычно посылают сигналы к мышцам. За этими нейронами стоит множество других, которые производят вычисления, необходимые мозгу для управления движением. Мы смотрим на конечный результат всех этих вычислений ".