Neuroprotetyka: powrót do zdrowia dzięki sile umysłu

Każdego roku setki tysięcy osób na całym świecie tracą kontrolę nad swoimi kończynami w wyniku urazu rdzenia kręgowego. W Stanach Zjednoczonych nawet 347 tysięcy ludzi żyje z urazem rdzenia kręgowego (SCI – spinal cord injury), a prawie połowa z nich nie może poruszać ciałem od szyi w dół. Właśnie tym osobom urządzenia neuroprotetyczne dają tak bardzo potrzebną nadzieję.

Interfejsy łączące mózg z komputerem (BCI – brain-computer interfaces) składają się zazwyczaj z elektrod umieszczanych na czaszce, powierzchni mózgu lub w tkance mózgowej, które monitorują i mierzą aktywność mózgu pojawiającą się podczas powstawania myśli. Wzorzec tej aktywności mózgu jest następnie przekładany na kod lub algorytm, który wprowadzany jest do komputera. Komputer z kolei przekształca ten kod na polecenie wyzwalające ruch.

Neuroprotezy są przydatne nie tylko osobom, które nie mogą poruszać kończynami górnymi czy dolnymi, ale są także pomocne pacjentom z niepełnosprawnością sensoryczną. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) szacuje, że w przybliżeniu 360 milionów ludzi na całym świecie doświadcza powodującej niepełnosprawność utraty słuchu, podczas gdy 39 milionów osób jest niewidomych. Niektórym z nich neuroprotezy, takie jak implanty ślimakowe i oczy bioniczne, przywracają utracone zmysły i, w niektórych przypadkach, pozwalają im słyszeć lub widzieć po raz pierwszy w życiu.

W niniejszym artykule dokonamy przeglądu pięciu najbardziej niezwykłych osiągnięć w dziedzinie neuroprotetyki, przyjrzymy się, jak działają neuroprotezy, dlaczego są pomocne i jak niektóre z nich będą kształtowały przyszłość.

1. Implant słuchowy

To prawdopodobnie najstarsza neuroproteza w tym zestawieniu. Implanty ślimakowe lub implanty słuchowe są dostępne od kilku dekad i są dobrym przykładem sukcesu neuroprotetyki.

Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA – Food and Drug Administration) zatwierdziła użycie implantów ślimakowych już w 1980 roku, a do 2012 roku założono go prawie 60 tysiącom osób. Na całym świecie żyje ponad 320 tysięcy osób, które mają ma wszczepiony implant słuchowy. Zasada działania implantu ślimakowego polega na omijaniu uszkodzonej części ucha i bezpośredniej stymulacji nerwu słuchowego przy pomocy sygnałów otrzymanych za pomocą elektrod. Są one przekazywane przez nerw słuchowy do mózgu i odbierane jako dźwięki, chociaż słuch przez implant ślimakowy różni się znacząco od normalnego.

2. Implant oczny

Pierwsza sztuczna siatkówka, nazwana Argus II, stworzona została z elektrod wszczepionych w oko i została zatwierdzona do użycia przez FDA w lutym 2013 roku. W podobny sposób co implant ślimakowy neuroproteza ta tworzy obejście uszkodzonej części siatkówki i przekazuje sygnały, otrzymywane z dołączonej do niej kamery, do mózgu. Odbywa się to poprzez przekształcanie obrazów na jasne i ciemne piksele, które zostają zamienione na impulsy elektryczne. Są one następnie przesyłane do elektrod, które z kolei wysyłają sygnał do nerwu wzrokowego. Chociaż Argus II nie pozwala na całkowite odzyskanie wzroku, umożliwia pacjentom ze zwyrodnieniem barwnikowym siatkówki (w którym dochodzi do uszkodzenia fotoreceptorów oka) rozróżniać kontury i kształty, co, jak twierdzi wielu chorych, znacząco poprawia ich jakość życia.

3. Neuroprotezy dla osób po urazie rdzenia kręgowego

Szacuje się, że prawie 350 tysięcy osób w Stanach Zjednoczonych żyje z urazem rdzenia kręgowego, a 45% z nich (cierpiących na SCI od 2010 roku), cierpi na tetraplegię, czyli jest sparaliżowanych od szyi w dół (tzw. porażenie czterokończynowe). Amerykański serwis internetowy Medical News Today donosił jakiś czas temu o przełomowym eksperymencie, który pozwolił choremu z tetraplegią poruszać rękoma jedynie przy pomocy siły jego myśli. W mózgu Billa Kochevara umieszczono chirurgicznie elektrody.

Po przeszkoleniu z zakresu BCI, mającym na celu „nauczenie” jego mózgu podejmowania aktywności dopasowanej do ruchu, o którym pomyślał, aktywność ta była przekształcana na impulsy elektryczne przekazywane z powrotem do elektrod umieszczonych w mózgu. W podobny sposób, co w przypadku implantów słuchowych i implantów wzrokowych obchodzących uszkodzone obszary, zadziałał BCI, pomijając „zwarcie” pomiędzy mózgiem a mięśniami pacjenta spowodowane urazem rdzenia kręgowego. Z pomocą tej neuroprotezy pacjent może z powodzeniem samodzielnie pić i jeść.

„To było niesamowite”, mówił Kochevar, „ponieważ myślałem o poruszeniu ręką i to się działo”. Kochevar był pierwszym pacjentem na świecie testującym tę neuroprotezę, która jest obecnie dostępna do celów naukowych.

Jednak neuroprotetyka SCI na tym nie poprzestaje. Laboratorium Courtine Lab, prowadzone w szwajcarskiej Lozannie przez neurologa Grégoire’a Courtine’a, niestrudzenie pracuje nad tym, by pomóc osobom po urazie odzyskać kontrolę nad nogami. Tamtejszym naukowcom w badaniach na zwierzętach udało się przywrócić możliwość chodzenia sparaliżowanym szczurom przy pomocy sygnałów elektrycznych stymulujących nerwy w oddzielonej części rdzenia kręgowego. „Wierzymy, że pewnego dnia technologia ta znacząco poprawi jakość życia osób zmagających się z problemami neurologicznymi”, powiedział Silvestro Micera, współtwórca eksperymentu i neuroinżynier Courtine Lab.

Ostatnio prof. Courtine przewodniczył międzynarodowemu zespołowi naukowców, któremu udało się wywołać u małp z gatunku rezus celowe ruchy nóg. Tym samym po raz pierwszy wykorzystano neuroprotezę do umożliwienia chodzenia u zwierzęcia z rzędu naczelnych. Jednak „może minąć jeszcze kilka lat zanim wszystkie elementy tego leczenia będzie można przetestować na ludziach”, mówi prof. Courtine.

4. Kończyna górna, która czuje

Silvestro Micera prowadził również inne projekty badawcze dotyczące neuroprotetyki, wśród których jest także kończyna górna, która „czuje”. W 2014 roku serwis Medical News Today donosił o pierwszej sztucznej ręce wyposażonej w czujniki. Naukowcy zmierzyli w niej napięcie ścięgien, kontrolujących ruchy chwytające, i zamienili je na impuls elektryczny. Następnie za pomocą algorytmu przełożyli je na impulsy wysyłane do nerwów kończyny górnej, tworząc w ten sposób zmysł dotyku. Od tego czasu proteza kończyny górnej, która „czuje”, jest stale ulepszana.

Naukowcy z University of Pittsburgh i uniwersyteckiego centrum medycznego mieszczących się w Pensylwanii (USA) przetestowali BCI na pacjencie z tetraplegią Nathanie Copelandzie. Badacze wszczepili wiązkę elektrod pod powierzchnię mózgu Copelanda – a dokładnie w okolice pierwotnej kory ruchowej – i połączyli je z protezą kończyny górnej wyposażoną w czujniki. Umożliwiło to pacjentowi czucie dotyku, który odbierał on tak, jak gdyby należał do jego sparaliżowanej ręki. Z zawiązanymi oczami Copeland był w stanie określić, którego palca na jego protezie dotknięto. Odczucia różniły się intensywnością i były postrzegane jako dotyk o różnych stopniach nacisku.

5. Neuroproteza neuronów

Wiemy już, że kontrolowane umysłem protezy mogą pomóc pacjentom odzyskać czucie dotyku, słuch, wzrok i zdolność poruszania się, ale czy potrafilibyśmy stworzyć protezę dla samego mózgu?

Naukowcy z Australian National University (ANU) w Canberze wyhodowali sztucznie komórki mózgu i stworzyli działające połączenia nerwowe, kładąc tym samym podwaliny pod neuroprotetykę mózgu. Przez zastosowanie geometrii nanodrutu przy wytwarzaniu płytek półprzewodnikowych dr Vini Gautam z ANU Research School of Engineering wraz ze współpracownikami stworzył rusztowanie, które pozwala komórkom mózgowym rosnąć i łączyć się za pomocą synaps. Kierownik projektu, dr Vincent Daria z John Curtin School of Medical Research w Australii, tak wyjaśnia sukces swoich badań:

„Udało nam się stworzyć przewidywane połączenia pomiędzy neuronami i zademonstrować, że działają i aktywują się w sposób zsynchronizowany. Praca ta może pomóc stworzyć nowy model badawczy, dzięki któremu możliwe będzie silne połączenie pomiędzy nanotechnologią i neurobiologią.”

Pewnego dnia neuroprotetyka mózgu będzie mogła pomóc odzyskać sprawność neurologiczną pacjentom, u których doszło do udaru lub borykającym się z chorobami neurodegeneracyjnymi.

Niniejszy artykuł został opublikowany za zgodą wydawcy, Medical News Today. Link do materiału oryginalnego: http://www.medicalnewstoday.com/ articles/317548.php