Novo razumevanje nevronskih vezij lahko pomaga pri hitrejšem razvoju miselno nadzorovanih protetičnih naprav za paralizirane | 2020

Vsebina:

Anonim

"Klinične posledice te vrste osnovnih znanstvenih raziskav so ogromne," pravi György Buzsáki, dr. Med., Univerze Rutgers, strokovnjak za nevronske tokokroge. "Z razumevanjem komunikacijskega procesa normalnih živčnih tokokrogov lahko določimo načine, kako pomagati tistim, ki so doživeli poškodbo ali imajo motnjo, ki je poškodovala njihove kroge in okrnila njihovo delovanje."

Na primer, raziskave bodo najverjetneje pomagale pri razvoju »miselno nadzorovanih protetičnih naprav«, ki bi lahko pomagale amputirancem ali tistim s paralizo, ki ne morejo uporabiti svojih okončin. Običajno vezja živčnih celic v možganih nenehno izračunajo in prenašajo kompleksne signale preko hrbtenjače in zunaj perifernih živcev, da premaknejo roko, roko, nogo ali stopalo. Poškodba, ki povzroči izgubo okončine ali poškodbo hrbtenjače, lahko prekine to komunikacijsko linijo in prepreči želeno gibanje. Teoretično lahko miselno nadzorovana protetična naprava, znana tudi kot vmesnik med možgani in strojem, obide izgubo ali poškodbo tako, da neposredno interpretira signale živčnih celic in nato sproži gibanje v protetičnem delu.

Za razvoj teh naprav je potreben vzporedni pristop z dvema deloma. "Prvi je razumevanje samoorganizirane narave zdravih nevronskih vezij," pravi Buzsáki. "Drugič je uporaba teh informacij za nadzor protetskih naprav in povratne informacije od njih do možganov." Raziskovalci bodo poročali o najnovejših dosežkih v razvoju naprav na tiskovni konferenci o protetičnih napravah, na letnem srečanju Društva za nevroznanost. Ta seja se bo osredotočila na prvo vprašanje in podrobno predstavila napredek na temeljnih znanstvenih področjih, ki pomagajo dešifrirati komunikacijo z nevronskimi vezji.

Ena nova analiza, ki je dekodirala nekatere aktivnosti vezja, lahko pomaga poenostaviti proces razvoja miselno nadzorovane protetične naprave. "Naše ugotovitve predstavljajo pomemben korak v smeri razvoja miselno nadzorovanih protetičnih naprav, kot so robotske roke za bolnike s hudimi nevrološkimi poškodbami, vključno s tistimi, ki trpijo za popolno paralizo," pravi dr. Miguel Nicolelis, univ. .

V študiji so raziskovalci pregledali 11 budnih bolnikov, ki so bili na operaciji za zdravljenje Parkinsonove bolezni možganskih motenj. Pred izvedbo kirurškega zdravljenja so raziskovalci uporabili elektrode za hkratno zapisovanje signalov iz skupin živčnih celic v dveh možganskih regijah, ki pomagajo pri nadzoru gibanja. Živčne celice se med seboj pogovarjajo s pošiljanjem električnih signalov. Eden od običajnih načinov za preučevanje te dejavnosti je, da v možgane postavite drobne žice ali elektrode. To omogoča raziskovalcem, da »vidijo« električne signale posameznih nevronov.

Med snemanjem so pacienti opravili vizualno povratno zvezo z roko. »Zanimivo je, da so bile majhne skupine od 3 do 35 hkrati zabeleženih živčnih celic dovolj bogate za informacije, da so napovedale silo vpetja v 2,5-minutnem preskusnem obdobju z veliko natančnostjo,« pravi Nicolelis. "Ta ugotovitev bi lahko poenostavila proces razvoja miselno nadzorovanih protetičnih naprav."

Za miselno nadzorovano protetično napravo je potreben računalniški program, ki lahko bere in dekodira kompleksen jezik živčnih celic, da bi lahko sprožil predvideno gibanje v robotskem delu. »Naša študija kaže, da bi moral računalniški program razumeti samo jezik nekaj sto naključno izbranih majhnih skupin celic, da bi lahko vodil robotske ude,« pravi Nicolelis.

Druga nova študija laboratorija Nicolelis pri Dukeu lahko pomaga tudi pri poenostavitvi razvoja računalniških programov za miselno nadzorovane protetične naprave. »Ugotovili smo, da nekatere skupne komponente, ki jih vidimo v signalih skupin živčnih celic, bolje napovedujejo različne smeri gibanja kot informacije iz posamezne živčne celice,« pravi Nicolelis.

V študiji so raziskovalci vsadili elektrode za snemanje signalov v možganska področja, za katera je znano, da pomagajo pri premikanju dveh opic. Nato so raziskovalci Dukea vadili oplodje, ki so jih vsadili, da s krmilno palčko nadzorujejo kazalec na računalniškem zaslonu. Cilji so se pojavili na zaslonu, opice pa so segale do njih s kazalcem. V naslednjem nizu poskusov so opice nadzorovale premike robotske roke z isto igralno palico. Robot je bil opicam neviden, kurzor pa je podal vizualno povratno informacijo o položaju robota.

Analiza je ugotovila, da skupne komponente iz signalne aktivnosti velike populacije živčnih celic bolje predvidevajo smeri gibanja kot aktivnost posameznih živčnih celic. »Verjamemo, da lahko informacije iz velikih populacij celic uporabimo, da robotska roka opravi različne naloge gibanja,« pravi Nicolelis. "Raziskave lahko skupaj pripomorejo k poenostavitvi razvoja računalniškega programa za miselno nadzorovane proteze."

Drugi raziskovalci na tehnološkem inštitutu v Massachusettsu so razvili dve novi tehniki, ki bosta znanstveniki pomagali bolje analizirati delovanje nevronskih vezij.

»Kombinacija novih električnih in optičnih tehnik nam bo dala izjemne priložnosti za preučevanje načina delovanja možganov,« pravi dr. Michale Fee, avtorica študije.

Na električni strani so Fee in njegovi sodelavci razvili metodo, ki izboljšuje standardno uporabo elektrod za merjenje električnih signalov med živčnimi celicami. "Izdelali smo drobno napravo, imenovano mikrodrive, ki drži do tri elektrode na točno določenem mestu v izbranih možganskih področjih," pravi Fee. "Poleg tega drobni motorji v napravi nam omogočajo, da premikamo elektrode okrog z daljinskim upravljalnikom, najdemo električne signale iz posameznih živčnih celic in nato zapišemo njihove vzorce aktivnosti."

Ta nastavitev je idealna za preučevanje živali, kot so ptice pevke, med običajnim vedenjem. »Lahko smo postavili elektrode in našli živčne celice v možganih ptičjih ptic, ne da bi sploh motili ptico,« pravi Fee. "Zaradi te sposobnosti smo odkrili, da določena skupina živčnih celic nadzoruje natančno časovno razporeditev ptic."

Drug način za preučevanje živčnih celic v možganih je pogled na celice pod mikroskopom. Ko se živčne celice med seboj električno signalizirajo, se v celici pojavijo kemične spremembe. Na primer, električna aktivnost v živčnih celicah povzroči, da drobne količine kalcijevih ionov tečejo v celico, optične tehnike pa lahko poudarijo to spremembo. »Obstajajo posebne fluorescentne barve, ki spreminjajo količino svetlobe, ki jo oddajajo, odvisno od tega, koliko kalcija je okoli,« pravi Fee. »Torej, če vnesemo nekaj tega barvila v živčno celico, lahko vidimo, da celica utripa, ko deluje in signalizira druge živčne celice.« V preteklosti pa te tehnike ni bilo mogoče uporabiti za premikanje živali.

Fee in njegovi kolegi so to spremenili z razvojem posebnega miniaturnega mikroskopa, ki ga lahko postavimo na glavo male živali, kot je podgana. "To nam omogoča, da opazujemo spremembe v fluorescenci globoko v možganih pri živalih, ki se lahko prosto gibljejo," pravi Fee. "V prihodnosti bi morali biti sposobni opazovati celotne skupine živčnih celic v možganih, ki medsebojno utripajo svoje signale, ko žival opravlja svojo dejavnost."