Zusammenfassung Eine Rückenmarksverletzung stört die Kommunikation zwischen dem Gehirn und der Region des Rückenmarks, die das Gehen ermöglicht, was zu Lähmungen führt. Hier haben wir diese Kommunikation mit einer digitalen Brücke zwischen Gehirn und Rückenmark wiederhergestellt , die es einer Person mit chronischer Tetraplegie ermöglicht, in gemeinschaftlichen Umgebungen auf natürliche Weise zu stehen und zu gehen. Diese Gehirn-Wirbelsäule-Schnittstelle (BSI) besteht aus vollständig implantierten Stimulations- und Aufzeichnungssystemen, die eine direkte Verbindung zwischen kortikalen Signalen und der analogen Modulation epiduraler elektrischer Stimulation herstellen, die auf die an der Produktion von Rückenmark beteiligten Regionen des Rückenmarks gerichtet ist. Marsch. Eine äußerst zuverlässige Gehirn-Wirbelsäule-Schnittstelle (BSI) wird in nur wenigen Minuten kalibriert. Diese Zuverlässigkeit bleibt ein Jahr lang stabil , auch bei unabhängiger Nutzung zu Hause. Der Teilnehmer berichtet, dass ihm die Gehirn-Wirbelsäulen-Schnittstelle (BSI) eine natürliche Kontrolle über seine Beinbewegungen beim Stehen, Gehen, Treppensteigen und sogar beim Durchqueren komplexer Gelände ermöglicht. Darüber hinaus verbesserte die vom BSI unterstützte Neurorehabilitation die neurologische Genesung. Der Teilnehmer konnte auch bei ausgeschaltetem BSI wieder mit Krücken auf dem Boden gehen. Diese digitale Brücke schafft einen Rahmen für die Wiederherstellung der natürlichen Bewegungskontrolle nach einer Lähmung. |
Die Behandlung
Beim Gehen sendet das Gehirn ausführende Befehle an Neuronen im lumbosakralen Rückenmark. Obwohl die meisten Rückenmarksverletzungen diese Neuronen nicht direkt schädigen, stört eine Störung der absteigenden Bahnen die vom Gehirn abgeleiteten Befehle, die diese Neuronen zum Gehen benötigen. Die Folge ist eine dauerhafte Lähmung .
Wir haben zuvor gezeigt, dass eine epidurale elektrische Stimulation , die auf einzelne dorsale Wurzeleingangszonen des lumbosakralen Rückenmarks gerichtet ist, die Modulation spezifischer motorischer Gruppen der Beine ermöglicht. Die Rekrutierung dieser dorsalen Wurzeleingabezonen mit vorprogrammierten räumlich-zeitlichen Sequenzen reproduziert wiederum die physiologische Aktivierung der Beinmotorikgruppen, die dem Stehen und Gehen zugrunde liegen. Diese Stimulationssequenzen stellten das Stehen und normale Gehen bei Menschen mit Lähmungen aufgrund einer Rückenmarksverletzung wieder her. Diese Erholung erforderte jedoch tragbare Bewegungssensoren, um motorische Absichten aus Restbewegungen zu erkennen, oder Kompensationsstrategien, um vorprogrammierte Stimulationssequenzen auszulösen. Folglich wurde die Gangkontrolle nicht als völlig natürlich empfunden . Darüber hinaus zeigten die Teilnehmer eine begrenzte Fähigkeit, die Beinbewegungen an wechselnde Gelände- und Willensanforderungen anzupassen.
Hier schlagen wir vor, dass eine digitale Brücke zwischen Gehirn und Rückenmark eine freiwillige Kontrolle über den Zeitpunkt und die Amplitude der Muskelaktivität ermöglichen und so eine natürlichere und adaptivere Kontrolle des Stehens und Gehens bei Menschen wiederherstellen würde. mit Lähmung aufgrund einer Rückenmarksverletzung.
Digitale Brücke vom Gehirn zum Rückenmark
Um diese digitale Brücke zu errichten, haben wir zwei vollständig implantierte Systeme integriert, die eine drahtlose Aufzeichnung der kortikalen Aktivität und Stimulation des lumbosakralen Rückenmarks in Echtzeit ermöglichen (Abb. 1a).
Abb. 1: Design, Technik und Umsetzung des BSI. a : Zwei kortikale Implantate bestehend aus 64 Elektroden werden epidural über dem sensomotorischen Kortex platziert, um ECoG-Signale zu sammeln. Eine Verarbeitungseinheit sagt motorische Absichten voraus und übersetzt diese Vorhersagen in die Modulation epiduraler elektrischer Stimulationsprogramme, die auf die dorsalen Wurzeleingangszonen des lumbosakralen Rückenmarks gerichtet sind. Die Stimulation erfolgt über einen implantierbaren Impulsgenerator, der an eine Paddelleitung mit 16 Elektroden angeschlossen ist. b : Bilder zur präoperativen Planung kortikaler Implantatpositionen und zur postoperativen Bestätigung. L, links; A, richtig. c , Benutzerdefiniertes Rechenmodell, das die optimale Platzierung des Paddeldrahts vorhersagt, um auf die dorsalen Wurzeleintrittszonen zu zielen, die mit den Muskeln der unteren Extremitäten verbunden sind, und postoperative Bestätigung.
Diese integrierte Kette aus Hardware und Software stellte eine drahtlose digitale Brücke zwischen Gehirn und Rückenmark her: eine Gehirn-Wirbelsäulen-Schnittstelle (BSI), die kortikale Aktivität in analoge Modulation epiduraler elektrischer Stimulationsprogramme umwandelt, um die Aktivierung der Muskeln der unteren Extremitäten abzustimmen und so nach einer Lähmung aufgrund einer Rückenmarksverletzung wieder stehen und gehen können.
Diskussion
Wir haben eine drahtlose digitale Brücke zwischen Gehirn und Rückenmark konzipiert, die nach einer Lähmung aufgrund einer Rückenmarksverletzung die natürliche Kontrolle über die Bewegungen der unteren Extremitäten beim Stehen und Gehen in komplexem Gelände wiederherstellt. Darüber hinaus führte die Neurorehabilitation zu neurologischen Verbesserungen, die auch dann anhielten, wenn die Brücke abgeschaltet wurde.
Die Validierung dieser digitalen Brücke war auf eine einzelne Person mit schwerer, aber teilweiser Rückenmarksschädigung beschränkt und daher ist unklar, ob die Gehirn-Wirbelsäule-Schnittstelle (BSI) auf andere Verletzungsorte und -schweregrade anwendbar sein wird. Mehrere Beobachtungen deuten jedoch darauf hin, dass dieser Ansatz auf eine breite Population gelähmter Menschen anwendbar sein wird. Erstens wurden die physiologischen Prinzipien, die der gezielten epiduralen elektrischen Stimulation des Rückenmarks zugrunde liegen, inzwischen bei neun von neun Menschen validiert, die mit unvollständigen und vollständigen Läsionen behandelt wurden. Zweitens haben wir Verfahren entwickelt, die eine einfache, schnelle und stabile Kalibrierung des Zusammenhangs zwischen kortikaler Aktivität und Stimulationsplänen unterstützen und es dem Teilnehmer ermöglichen, das BSI zu Hause ohne Aufsicht zu bedienen. Drittens wurde nun bei zwei weiteren Menschen mit Tetraplegie eine vergleichbare Robustheit und Stabilität dieses rechnerischen und technologischen Gehirndekodierungsrahmens beobachtet. Obwohl die vorherige Erfahrung des Teilnehmers mit Stimulation die Einrichtung des BSI beschleunigte, sehen wir keine größeren Hindernisse bei der Implementierung eines BSI bei neuen Personen. Tatsächlich konnten wir Stimulationsprogramme einrichten, die bei drei Teilnehmern mit vollständiger sensomotorischer Lähmung innerhalb eines Tages das Gehen wiederherstellten.
Das Konzept einer digitalen Brücke zwischen Gehirn und Rückenmark läutet eine neue Ära in der Behandlung motorischer Defizite aufgrund neurologischer Störungen ein.
