Kelumpuhan dan operasi Bypass Otak
Daftar Isi:
- Ajiboye mengatakan bahwa banyak kelompok penelitian telah menggunakan sistem antarmuka otak dengan manusia dan dengan primata bukan manusia. Kedua kelompok uji mampu melakukan tugas seperti memindahkan kursor di layar komputer atau memindahkan lengan robot.
- Hal ini memungkinkan Burkhart untuk menggerakkan tangannya.
Terobosan ilmiah dalam teknologi antarmuka otak-komputer mungkin menawarkan harapan baru untuk mengatasi kelumpuhan.
Pada kemajuan terakhir, seorang pria dengan quadriplegia yang lumpuh delapan tahun lalu, kembali memiliki gerakan fungsional dari lengannya.
AdvertisementAdvertisementDia memberi makan dirinya sendiri dengan tangannya menggunakan teknologi ini, yang pertama dalam sejarah medis.
Periset di Case Western Reserve University di Ohio mengumumkan temuan mereka pada 28 Maret di jurnal medis Inggris The Lancet.
Pengumuman Kasus Barat dibuat sehari setelah pengusaha Elon Musk (dari mobil listrik Tesla dan perusahaan roket SpaceX) mengungkapkan rencana untuk mengembangkan teknologi serupa. Perut neural "Musk", menurut sebuah laporan di The Wall Street Journal, akan menghubungkan otak seseorang secara langsung dengan komputer.
Sementara itu, para ilmuwan di The Ohio State University (OSU) bekerja dengan pasien lumpuh dan telah mengembangkan teknologi yang serupa dengan yang ada di Case Western.Tim OSU sedang mengembangkan teknologinya dengan ilmuwan di Battelle Memorial Institute, sebuah organisasi nirlaba di Ohio yang menciptakan alat kesehatan.
Baca lebih lanjut: Exoskeletons membantu penderita kelumpuhan berjalan lagi »Menguraikan sinyal otak
Ilmuwan Kasus Barat telah bekerja dengan Bill Kochevar, seorang 53 tahun dengan quadriplegia yang terluka dalam kecelakaan sepeda.
Para periset menanamkan neuroprostesis yang menafsirkan sinyal otaknya dan mentransmisikannya ke sensor di lengannya, yang membantunya untuk mendapatkan kembali gerakan di tangan dan lengannya.
Robert Kirsch, PhD, ketua Departemen Teknik Biomedis Barat Kasus, direktur eksekutif Pusat Stimulasi Fungsional Elektrikal (FES) universitas, adalah penulis senior penelitian ini.AdvertisementAdvertisement
Dia menyebut terobosan itu sebuah langkah besar.
"Kami telah menunjukkan kelayakan untuk merekam niat pergerakan seseorang dan kemudian membuat lengan mereka sendiri membuat gerakan tersebut," katanya.Dia hanya berpikir untuk menggerakkan lengannya dan lengannya bergerak seperti yang dia inginkan. Bolu Ajiboye, Case Western Reserve University
Rekan Kirsch Bolu Ajiboye, PhD, asisten profesor teknik biomedis di Case Western, dan rekan peneliti di Louis Stokes Cleveland Veterans Administration Medical Center, menjelaskan bagaimana teknologinya bekerja. Gerakan normal pada orang yang tidak mengalami gangguan terjadi karena korteks motor menghasilkan perintah gerakan, yang digambarkan sebagai sinyal listrik, yang melewati sumsum tulang belakang, dan kemudian mengaktifkan otot yang sesuai, "kata Ajiboye kepada Healthline.
Cedera medula spinalis mencegah impuls listrik mencapai otot, jelasnya, namun perintah gerakan aslinya masih dikodekan dengan benar dalam pola aktivitas listrik otak.AdvertisementAdvertisement
"Sistem kami mencatat pola aktivitas listrik melalui implan otak dan menggunakan algoritma matematis untuk memecahkan kode menjadi perintah gerakan yang dimaksudkan oleh orang yang mengalami kelumpuhan. Perintah itu diubah menjadi pola stimulasi listrik yang diterapkan pada kelompok otot yang tepat untuk menghasilkan gerakan. Kepada Mr. Kochevar, prosesnya mulus dan tak terlihat. Dalam kata-katanya, dia bilang dia hanya berpikir untuk menggerakkan lengannya dan lengannya bergerak seperti yang dia inginkan. Ajiboye juga menunjukkan teknologi baru ini.Sains telah berkali-kali mencoba "memperbaiki" tulang belakang yang rusak melalui rekayasa jaringan dan pertumbuhan kembali tanpa hasil, katanya.
Iklan
"Kami ingin ilmuwan menemukan cara untuk menumbuhkan kembali dan menghubungkan kembali sumsum tulang belakang dengan menggunakan terapi sel," kata Ajiboye. "Namun, pendekatan kami saat ini menggunakan teknologi untuk menghindari cedera tulang belakang untuk mendapatkan sinyal gerakan dari otak ke otot yang tepat untuk menghasilkan gerakan. "Teknologi lain yang membantu orang lumpuh untuk mendapatkan kembali fungsinya biasanya terbatas pada alat yang dapat mereka kendalikan dengan menggunakan suara dan gerakan mata mereka, atau dengan menggerakkan kepala mereka.
AdvertisementAdvertisement
Namun, tidak satu pun perangkat ini memungkinkan pengendalian anggota tubuh sendiri.
"Perangkat kami memungkinkan pengguna untuk memindahkan anggota tubuhnya sendiri hanya dengan berpikir," Ajiboye menjelaskan. "Saya ingin memperjelas bahwa sistem kami mengelak dari cedera tulang belakang, bukan membalikkan kelumpuhan. Tanpa sistem, pengguna tetap lumpuh, dan tidak ada bukti yang menunjukkan bahwa penggunaan sistem ini pada akhirnya akan menghasilkan pertumbuhan kembali tulang belakang, atau akan mengenalkan kembali kemampuan untuk bergerak tanpa sistem. "Baca lebih lanjut: Implant membantu penderita kelumpuhan kembali menggunakan tungkai mereka»
Bagaimana teknologi bekerja
Mengapa teknologi Case Western unik?Sistem ini adalah yang pertama menggunakan antarmuka komputer implan otak dengan sistem FES untuk mengaktifkan otot lumpuh secara elektrik.
Sebelum ini, para ilmuwan telah merawat sejumlah orang dengan kelumpuhan tapi hanya dengan satu pendekatan atau pendekatan lainnya.
Kochevar adalah orang pertama yang mengalami teknologi gabungan ini.
Ajiboye mengatakan bahwa banyak kelompok penelitian telah menggunakan sistem antarmuka otak dengan manusia dan dengan primata bukan manusia. Kedua kelompok uji mampu melakukan tugas seperti memindahkan kursor di layar komputer atau memindahkan lengan robot.
"Pusat FES kami selama 25 sampai 30 tahun terakhir telah menanamkan sistem FES pada orang-orang dengan cedera tulang belakang untuk mengembalikan sejumlah fungsi, termasuk gerakan berdiri, berjalan, bernapas, dan tangan dan lengan," katanya.
Kochevar bergabung dengan proyek penelitian Kasus Barat pada tahun 2014. Dia menerima implan otaknya pada bulan Desember tahun itu.Pada tahun 2015, Kirsch, Ajiboye, dan rekan mereka menanamkan elektroda ke otot lengan dan tangannya.
Kochevar belajar mengaktifkan sinyal otaknya untuk mengendalikan perangkat yang berbeda.
"Kami pertama kali menyuruhnya melihat gerakan lengan virtual di layar komputer, sementara dia secara bersamaan membayangkan melakukan gerakan yang sama dengan lengannya sendiri," kata Ajiboye. "Ini menghasilkan pola aktivitas syaraf. Kami kemudian mengembangkan sebuah neural decoder, sebuah algoritma matematis yang menghubungkan pola aktivitas syaraf yang dihasilkan dengan aspek gerakan lengan virtual. "
Selanjutnya, mereka mengendalikan Kochevar lengan virtual dengan menghasilkan pola sinyal otak yang kemudian ditafsirkan oleh neural decoder, kata Ajiboye.
Kochevar melatih untuk memindahkan lengan virtual dengan presisi ke target yang ditentukan di ruang kerja. Para ilmuwan mengukur kontrol otaknya terhadap lengan virtual, dan menemukan bahwa dia dapat mengendalikannya segera, kata Ajiboye. Selain itu, Kochevar relatif cepat mencapai tingkat keberhasilan 95 sampai 100 persen dari akurasi target.
Akhirnya, para ilmuwan menyuruh Kochevar mencoba menggerakkan tangannya melalui stimulasi FES dalam proses dua langkah.
"Kami secara manual memindahkan lengannya (melalui rangsangan listrik) dan menginstruksikannya untuk membayangkan bahwa dia mengendalikan gerakan lengannya," kata Ajiboye. "Sekali lagi, ini membantu menghasilkan pola aktivitas syaraf yang diinginkan, yang biasa kita bangun dan memperbaiki decoder saraf kita. Kami menyuruhnya menggunakan decoder saraf akhir untuk memerintahkan gerakan lengannya sendiri, dihitung kembali melalui rangsangan listrik. Dia bisa langsung menggerakkan lengannya sesuai keinginan, dan semakin membaik dengan penggunaan yang meningkat. "
Dalam sebuah video yang dirilis oleh Case Western, Kochevar berkata," Sungguh menakjubkan karena saya berpikir untuk memindahkan lengan saya dan itu terjadi. Aku bisa memindahkannya masuk dan keluar, naik turun. "Sejak Kochevar mengalami kelumpuhan jangka panjang, otot-ototnya pada awalnya lemah dan mudah lelah. Ajiboye mengatakan.
Untuk membangun kekuatan otot dan ketahanannya terhadap kelelahan, tim "melatih" ototnya selama beberapa jam sehari dengan menggunakan rangsangan listrik tanpa sistem antarmuka otak.
Seiring waktu, latihan yang dirangsang secara elektrik ini meningkatkan kekuatan otot dan kemampuannya untuk menggunakan sistem lebih lama tanpa kelelahan.
Baca lebih lanjut: Manusia mendapatkan kembali kemampuan berjalan dengan menggunakan gelombang otaknya sendiri
Seperti inovasi Kasus Barat, inovasi Ohio State membantu seorang pria dengan quadriplegia untuk menggunakan tangannya setelah bertahun-tahun mengalami kelumpuhan..
Tim peneliti dipimpin oleh Dr. Ali Rezai, seorang profesor bedah saraf dan ilmu saraf, dan direktur Center for Neuromodulation di universitas Wexner Medical Center. Pasien tersebut, Ian Burkhart, mengalami cedera tulang belakang yang parah pada usia 19 tahun saat kecelakaan menyelam. Ia meninggalkannya dengan sedikit fungsi dan gerakan di bahunya dan bisep, dan tidak ada gerakan dari siku ke tangannya.
"Tim kami telah mengembangkan teknologi antarmuka otak-komputer yang melewati sumsum tulang belakang yang rusak, memungkinkan pasien seperti Ian dengan cedera tulang belakang dan quadriplegia dan tidak memiliki fungsi tangannya selama lima tahun untuk hanya menggunakan pikirannya untuk memindahkannya. Tangan tak bernyawa menjadi hidup dan berada di bawah kontrol kehendaknya, "kata Rezai kepada Healthline.
Nick Annetta, benar, dari Battelle, menyaksikan Ian Burkhart, 24, memainkan permainan video gitar dengan menggunakan tangannya yang lumpuh. Pada bulan April 2014, Rezai menanamkan sebuah microchip seukuran kepala penghapus pensil di permukaan korteks motor otak Burkhart. Chip mikroelektronika dari chip itu mencatat penembakan neuron masing-masing.
Rezai dan rekan-rekannya mengembangkan sistem bypass syaraf, yang mencatat dan menganalisis aktivitas otak yang terjadi saat Burkhart bermaksud untuk menggerakkan tangannya.
Setelah melewati sumsum tulang belakang yang rusak dan merusak koneksi dari otak ke saraf otot, sistem tersebut menghubungkan sinyal otak Burkhart dengan lengan garmen eksternal, kata Rezai.
Hal ini memungkinkan Burkhart untuk menggerakkan tangannya.
"Catatan implan otak dan menafsirkan sinyal otak yang terkait dengan pikiran, dan menghubungkannya dengan pakaian lengan pakai eksternal yang dapat dikenakan untuk mengendalikan otot-ototnya," Rezai menjelaskan. "Ini adalah sistem stimulasi neuromuskular. Pikiran yang terkait dengan niat untuk bergerak - misalnya membuka tangan - dihubungkan dan dihubungkan dalam milidetik ke gerakan tangan fungsional yang sebenarnya. "Generasi pertama dari sistem garmen dan stimulasi lengan yang dapat dikenakan dari luar, katanya, memiliki hingga 160 elektroda yang merangsang" terdiri dari hidrogel super fleksibel - rangkaian elektroda high-definition high-resolution yang sesuai dengan bentuk yang berbeda. dan kontur seperti forearm. "Pakaian itu bisa berbentuk lengan baju, sarung tangan, kaus kaki, celana, ikat pinggang, kepala band, dan faktor bentuk lainnya. Kompleksitas dan koordinasi yang signifikan diperlukan untuk memungkinkan gerakan dengan lancar untuk mengambil pengaduk untuk mengaduk kopi, menggunakan sikat gigi, atau memainkan video game, "katanya. "Algoritma pembelajaran mesin ini memperbaiki dan memperbaiki gerakan dari gerakan kasar dan berombak, hingga gerakan yang lebih halus dan lancar. "
Baca lebih lanjut: Teknologi bionik yang membantu mengembalikan kontrol otot»
Optimisme untuk masa depan
Neuroscientists mengamati terobosan baru-baru ini terkesan dan optimis. Joseph J. O'Doherty, PhD, seorang rekan postdoctoral senior di Lab Philip Sabes di University of California, San Francisco, Center for Integrative Neuroscience, menyebut kemajuan terbaru dalam teknologi antarmuka otak-komputer "yang inovatif. "
Para ilmuwan telah mengerjakan antarmuka otak-komputer, dalam beberapa bentuk atau lainnya, sejak akhir 1960-an, katanya. Lapangan telah berkembang dari kendali kursor komputer, untuk menggerakkan kursi roda dan lengan robot, hingga sekarang, membangun kembali kontrol sukarela atas anggota badan.
"Cedera tulang belakang sering merusak rasa sentuhan dan juga kemampuan untuk bergerak," kata O'Doherty. "Memulihkan sensasi tungkai akan menjadi elemen penting neuroprostheses yang memungkinkan gerakan cairan dan alami. "Masih ada banyak tantangan untuk diatasi," tambahnya, "namun hasil baru ini, dikombinasikan dengan banyak kemajuan terkait teknologi nirkabel, teknologi baterai, ilmu material, dan banyak lagi, membuat saya sangat optimis tentang perangkat neuroprostetik untuk pemulihan. Pergerakan dan sensasi menjadi tersedia secara luas. "
Inovasi ini menawarkan harapan dan potensi restorasi gerakan dan meningkatkan kemandirian bagi banyak pasien yang hidup dengan kelumpuhan atau cacat fisik lainnya. Dr. Ali Rezai, Pusat Medis Ohio State University Wexner
Rezai mengatakan bahwa 12.000 orang di Amerika Serikat setiap tahun mempertahankan cedera tulang belakang, dan 300.000 orang hidup dengan luka-luka akibat kecelakaan kendaraan bermotor, trauma, cedera olahraga., dan jatuh.
Kurang dari 1 persen mencapai pemulihan penuh, dan sebagian besar memiliki defisit yang bergantung pada berbagai teknologi bantu dan adaptif untuk memberikan tingkat kebebasan yang terbatas.
"Inovasi ini menawarkan harapan dan potensi restorasi gerakan dan meningkatkan kemandirian bagi banyak pasien yang hidup dengan kelumpuhan atau cacat fisik lainnya," kata Rezai. "Selain perbaikan motor, teknologi ini memiliki implikasi potensial bagi mereka yang memiliki defisit sensorik, nyeri kronis, ucapan, stroke, kognitif, kecemasan, dan implikasi perilaku. "Rezai mengatakan bahwa dia berharap bahwa segera orang-orang dengan cacat fisik, sensorik, kognitif, dan lainnya memiliki kesempatan untuk lebih fungsional, memiliki kebebasan lebih, dan kualitas hidup yang lebih baik.
"Tujuan kami adalah membuat teknologi ini kurang invasif, mengurangi ukuran perangkat, membuat miniatur sensor, membuat sistem nirkabel, dan menyediakan sistem di rumah dan bukan di laboratorium," katanya.
Tim Kasus Barat juga bekerja untuk memajukan sistemnya secara teknologi.
"Kita perlu mengembangkan antarmuka otak nirkabel untuk mengganti kabel yang menghubungkan pengguna ke satu set komputer perekaman," kata Ajiboye. "Kita perlu meningkatkan implan otak untuk umur panjang, untuk meningkatkan jumlah neuron yang dapat kita catat, dan untuk mengembangkan antarmuka otak implan dan sistem stimulasi listrik fungsional sepenuhnya. "
