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截瘫者恢复一些感觉,使用脑机接口后的运动

根据“科学报告”8月11日发表的一项研究,8名患有脊髓损伤瘫痪的8人在用脑机器人训练后,已经恢复了下肢部分感觉和肌肉控制。

患者使用脑机界面,包括使用自己的大脑活动模拟完全控制腿部的虚拟现实系统。  伴随研究的视频说明了他们的进步。

研究由杜克大学神经科学家Miguel Nicolelis博士主持  。作为巴西圣保罗的Walk Again项目的一部分,为脊髓损伤,中风和其他条件的人们提供了恢复力量,流动性和独立性的承诺。

最初来自巴西的杜克神经工程中心的联合主任Nicolelis说:“我们在开始这个项目时,我们预料不到这个惊人的临床结果。

“我们在本文中显示的是,长时间使用脑机界面的患者在脊髓损伤水平以下的运动行为,触觉和内脏功能方面有所改善,”e说。“到目前为止,在诊断完全瘫痪多年后,没有人看到患者恢复这些功能。”

经过七个月的培训,有几名病人发生变化。一年后,四名患者的感觉和肌肉控制变化明显,医生将其诊断从完全改善为部分麻痹。

他说,大多数患者的膀胱控制和肠功能均有改善,减少了对泻药和导管的依赖。这些变化降低了患者的感染风险,这在慢性麻痹患者中是常见的,并且是导致死亡的主要原因,Nicolelis说。

脑机系统建立大脑和计算机之间的直接通信,或者常常是假肢,例如机器人肢体。近二十年来,Nicolelis致力于建立和磨练系统,记录大脑神经元数百个同时信号,从这些信号中提取运动指令并将其转化为运动。

Nicolelis及其同事认为,每周训练后,康复患者重新接受了脊髓神经,这些神经在瘫痪下肢的车祸,跌倒和其他创伤的影响下幸存下来。康复初期,五名参与者至少五年瘫痪; 两个人已经瘫痪了十多年。

一名参与者“患者1”是一名32岁的女性在审判时瘫痪了13年,经历了最大的变化。早期在训练中,她无法忍受使用大括号,但在学习过程中,她走过步行者,大括号和治疗师的帮助。在13个月的时间里,她能够自动移动自己的腿,同时体重被支撑在一个线束上,如在 阿尔贝托·桑托斯·杜蒙研究支持协会(神经康复实验室所在的地方)录制的视频中所见  。

Nicolelis说:“以前的一项研究显示,诊断为完全截瘫的大部分患者可能仍然有一些脊髓神经完整无缺。“这些神经可能会安静多年,因为没有信号从皮质到肌肉。随着时间的推移,与脑机界面的训练可能会重新激起这些神经。可能是少量的纤维仍然存在,但这可能足以将信号从脑的运动皮质区传达到脊髓。“

在公爵建立基础

自20世纪90年代以来,Nicolelis研究了脑细胞群体如何代表感觉和运动信息,以及如何产生行为,包括上肢和下肢的运动。

在与其他神经科学家John K. Chapin博士进行的一项早期实验中,Nicolelis使用脑植入式微电极来记录训练有素的大鼠的大脑活动,以吸引机器手柄以获得一口水。通过脑机界面,大鼠学会了仅使用大脑活动控制杠杆。

Nicolelis说:“他们只是产生正确的大脑活动,机器手臂会把水带到老鼠的嘴里,而不必移动肌肉。“通过训练,动物停止生产公开行为,并开始依靠大脑活动。”

在后来的努力中,Nicolelis训练了恒河猴使用脑机界面来控制机器人肢体,然后在数字屏幕上进行三维动画的头像 - 动画版本。动物很快就知道可以通过精神构思来控制运动; 没有必要去动身。

恒河猴随后学会用跑步机走路,机器人腿由他们的大脑控制。他们还了解到,他们可以用思想推动一个小电动轮椅朝向一碗葡萄。

杜克实验大鼠和灵长类动物为人类患者的工作奠定了基础,包括2004年与杜克神经外科医生丹尼斯·特纳(MD)医学博士的文章,他们建立了一个用于记录大脑活动的模型,当他们用手握住一个球时,力。

Nicolelis说:“了解大脑如何运动,这很重要。“我们发现大脑如何运作的原理,我们不会发现没有进入大脑。”

然而,Nicolelis说,这些研究的目的是为严重残疾人提供更好的假肢和脑控制装置。

他说:“没有人希望我们能看到我们发现了什么,这是感觉运动和内脏功能的部分神经恢复。”

国际合作

Walk再次项目汇集了来自25个国家的100多位科学家,他们首先在圣保罗举办的2014年世界杯上获得新闻,当时使用脑机器人外骨骼的年轻截瘫患者朱利安·皮托(Julian Pinto)能够踢足球开幕式中的球。

Walk Again项目也于当年在圣保罗启动了神经康复研究。八名患者每周至少服用两个小时,使用脑机接口或通过其脑信号控制的设备。所有人都开始了这个程序,通过学习如何在虚拟现实环境中操作自己的头像或数字肖像。

患者戴上盖有11个非侵入性电极的盖帽,以通过脑电图记录其大脑活动。最初,当参与者被要求设想在虚拟环境中行走时,科学家没有观察到与腿部运动控制有关的区域中的预期信号。

Nicolelis说:“如果你说,用手,就会调动大脑活动。” “但大脑几乎完全抹去了他们下肢的表现。”

经过数月的培训,科学家开始观察他们期望看到的大脑活动,当患者考虑移动腿部时。“基本上,训练将下肢的代表重新插入患者的大脑,”Nicolelis说。

随着患者的进步,患者从虚拟现实毕业,更具挑战性的设备,需要更多地控制他们的姿势,平衡和使用上肢的能力,包括在美国的一些物理治疗中心使用的两种市售步行装置:ZeroG和Lokomat。两者都使用架空线束来支持患者的体重,因为它们由于损伤或诸如中风的神经病学状况而在瘫痪后建立强度和适当的步态。

患者轮流穿过其他应用机器人的训练系统,包括 在2014年世界杯上佩托的  外骨骼。

在大多数培训期间,参加者还穿着一个配有触摸技术的袖口,称为触觉反馈,以丰富体验和训练他们的大脑,Nicolelis说。触觉使用不同的振动提供触觉反馈,就像玩家通过手持控制器感觉到的嗡嗡作响或颠簸。

每种感觉都是独一无二的。所以当化身在沙滩上行走时,患者在前臂上感受到不同于在草地或沥青上行走时的压力波,Nicolelis说。

Nicolelis说:“触觉反馈是同步的,患者的大脑创造出自己正在散步的感觉,而不是在设备的帮助下。“它引起了一种幻觉,他们感觉到和移动腿。我们的理论是,通过这样做,我们不仅在皮质水平,而且在脊髓诱导可塑性。

下一步

Nicolelis说,研究中描述的几乎所有病人都继续康复,现在已经超过了两年的培训。他和他的同事计划发布关于参与者持续进步的额外数据。他们还计划与患有更多最近脊髓损伤的患者进行新的试验,以了解更快的治疗是否可以导致更快或更好的结果。

该团队还继续努力调整世界各地无法使用最新设备的物理治疗中心的患者可以使用的技术。可能最好的答案是触觉袖子,相比之下,这是可负担的,病人可以在家里使用的东西,Nicolelis说。

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