Epro Jahr, mehr als eine Million Menschen in Nordamerika Erleiden Sie irgendeine Form von Rückenmarksverletzung (SCI), wobei die jährlichen Kosten für die Behandlung und Rehabilitation dieser Patienten mehr als 7 Milliarden US-Dollar betragen. Die medizinische Gemeinschaft hat hat unglaubliche Erfolge bei der Linderung, wenn nicht gar Umkehrung der Auswirkungen von Lähmungen erzielt im letzten Vierteljahrhundert einschließlich Fortschritte in der Pharmakologie, Stammzelltechnologien, Neuromodulation und externe Prothetik. Die elektrische Stimulation des Rückenmarks hat bereits besonders vielversprechende Ergebnisse bei der Rehabilitation von Patienten mit Wirbelsäulenverletzungen gezeigt und nicht nur die Funktion der Extremitäten, sondern auch die Kontrolle von Spastik, Blase und Blutdruck verbessert. Nun, in einer Studie veröffentlicht in Natur Dienstag, SCI-Therapie-Startup Onward Medicalgab bekannt, dass es durch den Einsatz einer implantierten Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) und einer neuartigen „digitalen Brücke“, die die Lücke überbrückt, an der die Wirbelsäule durchtrennt wurde, dazu beigetragen hat, den Gang eines ehemals querschnittsgelähmten Mannes zu verbessern.
Seit Jahren versetzen wir querschnittsgelähmten Patienten im Rahmen ihrer körperlichen Rehabilitation Niederspannungsstöße in die Wirbelsäule Funktionelle Elektrostimulation (FES). Elektroden werden direkt über den Nerven platziert, die sie stimulieren sollen – unter Umgehung ihrer eigenen gestörten Nervenbahnen – und bewirken bei Aktivierung, dass die darunter liegenden Nerven feuern und ihre Muskeln sich zusammenziehen. Forscher haben diese Methode genutzt, um Wiederherstellung der Hand- und Armbewegung bei einigen Patienten die Fähigkeit zu stehen und zu gehen, bei anderen und bei einigen wenigen Glücklichen die Fähigkeit, zu stehen und zu gehen. Exoanzüge! Die daraus resultierenden Bewegungen der Gliedmaßen waren jedoch ausgesprochen unanmutig und führten zu schwerfälligen Armbewegungen und Gangarten, die eher einem Schlurfen ähnelten.
Vorwärts frühere Forschung Untersuchungen zur epiduralen Elektrostimulation zeigten, dass sie effektiv auf die Nerven im unteren Rückenbereich abzielt, die zur Stimulation der Beinmuskulatur genutzt werden können. Die damalige Therapie wurde jedoch durch den Bedarf an tragbaren Bewegungssensoren und durch „die eingeschränkte Fähigkeit der Teilnehmer, die Beinbewegungen an verändertes Gelände und Willensanforderungen anzupassen“ behindert. Onward ging dieses Problem in der Studie vom Dienstag an, indem es eine „digitale Brücke“ einbaute ” um die Befehlsimpulse des Gehirns zu überwachen und sie drahtlos und in Echtzeit an ein Stimulationspaket weiterzuleiten, das im unteren Rücken des Patienten implantiert ist.
Kliniker setzen diese Systeme seit fast einem Jahrzehnt ein, um die Kontrolle und Funktion der oberen Extremitäten nach SCI zu verbessern – Onwards eigene ARC EX-System ist genau dafür konzipiert – obwohl diese Studie die erste war, die dieselben Theorien auf die unteren Extremitäten anwendete.
Onwards Patient war ein 38-jähriger Mann, der vor einem Jahrzehnt eine „unvollständige Verletzung des Halswirbels (C5/C6)“ erlitten hatte und sich einem fünfmonatigen Neurorehabilitationsprogramm mit „gezielter epiduraler elektrischer Stimulation des Rückenmarks“ unterzogen hatte. im Jahr 2017. „Dieses Programm ermöglichte es ihm, mit Hilfe eines Vorderradgehers wieder die Fähigkeit zu erlangen, Schritte zu machen“, stellte das Forschungsteam in der Studie fest Natur lernen. „Trotz fortgesetzter Anwendung der Stimulation zu Hause hatte er etwa drei Jahre lang ein neurologisches Erholungsplateau erreicht.“
Zusätzlich zum EX hat Onward Medical auch eine intern angebrachte Elektrostimulationstherapie entwickelt, das ARC IM. Nach Angaben des Unternehmens ist es „speziell für die Platzierung entlang des Rückenmarks konzipiert, um das zu stimulieren.“ Rückenwurzeln“, um die Blutdruckregulierung von SCI-Patienten zu verbessern. Das in der Studie vom Dienstag verwendete System nutzte das ARC IM als Basis und verband es mit einem WIMAGINE Gehirn-Computer-Schnittstelle.
Weiter medizinisch
Das Onward-Team musste zunächst das BCI im Schädel des Patienten installieren. Technisch gesehen handelte es sich um ein Paar Elektrodenimplantate mit 64 Ableitungen, die jeweils in einem runden 50-Millimeter-Titangehäuse montiert waren, das bündig mit dem Schädel abschließt. Die WIMAGINE „ist weniger invasiv als andere Optionen und bietet gleichzeitig eine ausreichende Auflösung, um das Gehen voranzutreiben“, sagte Dave Marver, CEO von OnwardMedical, per E-Mail zu Engadget. „Es verfügt außerdem über Fünfjahresdaten, die die Stabilität der Klarheit der erzeugten Signale belegen.“
Auf der Kopfhaut sitzen zwei externe Antennen. Die erste versorgt die Implantate über induktive Kopplung mit Strom, die zweite leitet das Signal zur Dekodierung und Verarbeitung an eine tragbare Basisstation weiter. Das verarbeitete Signal wird dann drahtlos an den gesendet ACTIVA RC implantierbarer Impulsgenerator Sie sitzen auf der Lendenwirbelsäule des Patienten, wo 16 weitere implantierte Elektroden die entsprechenden Nervencluster schocken, um ihre Beine zu bewegen. Zusammen bilden sie laut Onward ein Brain Spine Interface (BSI)-System.
Das gesamte Setup ist für die selbstständige Nutzung durch den Patienten konzipiert. Der Gehhilfe enthält alle BSI-Teile und -Teile, während eine taktile Feedback-Schnittstelle dabei hilft, das Headset richtig zu positionieren und den Vorhersagealgorithmus zu kalibrieren.
Damit BCI und Impulsgenerator nahtlos zusammenarbeiten, nutzte Onward einen „Aksenova/Markov-Switching-Multilinear-Algorithmus“, der eine Verbindung herstellte ECoG Signale zur Steuerung epiduraler elektrischer Stimulationsparameter“, was im Nachhinein so offensichtlich erscheint. Im Wesentlichen sagt dieser Algorithmus zwei Dinge voraus: die Wahrscheinlichkeit, dass der Patient basierend auf den von ihm überwachten Signalen beabsichtigt, ein bestimmtes Gelenk zu bewegen, und sowohl die Amplitude als auch die Richtung dieser vermutlich beabsichtigten Bewegung. Diese Vorhersagen werden dann in einen analogen Controller übertragen, der sie in Codebefehle umwandelt, die wiederum alle 300 Millisekunden an den Impulsgenerator weitergeleitet werden. Insgesamt beträgt die Latenz zwischen dem Gedanken des Patienten „Ich sollte da rübergehen“ und der Dekodierung dieser Gedanken durch das System nur 1,1 Sekunden.
Die Kalibrierung des Systems auf den Patienten erwies sich als ebenso schneller Prozess. Der Patient hatte innerhalb der ersten zwei Minuten nach dem Versuch herausgefunden, wie er die Muskeln in seinen Hüften richtig „aktivieren“ konnte, um genug Drehmoment zu erzeugen, um seine Beine zu schwingen – und das mit einer Genauigkeit von 97 Prozent. Im Laufe der Rehabilitation gelang es dem Patienten, die Bewegungen jedes Gelenks in seinem Bein (Hüfte, Knie und Knöchel) mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von etwa 75 Prozent zu kontrollieren (das BSI tat, was der Patient beabsichtigte).
„Nach nur 5 Minuten Kalibrierung unterstützte der BSI eine kontinuierliche Kontrolle über die Aktivität der Hüftbeugemuskeln“, fuhr das Team fort, „was es dem Teilnehmer ermöglichte, eine fünffache Steigerung der Muskelaktivität im Vergleich zu Versuchen ohne den BSI zu erreichen.“ Leider waren diese Zuwächse nicht der Fall Sie würden weggewischt, sobald das BCI ausgeschaltet wurde, und die Fähigkeit zum Gehen sei sofort verloren gegangen, erklärten sie. „Das Gehen wurde wieder aufgenommen, sobald das BSI wieder eingeschaltet wurde.“
Durch diesen Eingriff konnte der Patient nicht nur vom Vorderradgehgerät auf das Gehen an Krücken umsteigen, sondern auch sein Gangbild verbesserte sich deutlich. „Im Vergleich zur Stimulation allein ermöglichte der BSI das Gehen mit Gangmerkmalen, die deutlich näher an denen quantifizierter gesunder Personen lagen“, schrieb das Onward-Team. Der Patient war mit dem System sogar in der Lage, auf Krücken unbefestigtes Gelände zu überqueren, eine Leistung, die für viele zweibeinige Roboter immer noch routinemäßig eine Gefahr darstellt.
Insgesamt absolvierte der Patient 40 Reha-Sitzungen mit dem BCI – eine Mischung aus Standard-Physio-Reha und BCI-gestützten Gleichgewichts-, Geh- und Bewegungsübungen. Der Patient verzeichnete eine moderate Verbesserung seiner sensorischen Werte (leichte Berührung), aber einen satten Anstieg um 10 Punkte WISCI II-Ergebnisse. WISCI II ist der Gehindex für Rückenmarksverletzungen, eine 21-Punkte-Skala, die die Gehfähigkeit eines Patienten misst und von 20 „kann sich ohne Hilfe bewegen“ bis zu 0 „bettlägerig“ reicht. Der Patient von Onward stieg von 6 auf 16 mit Hilfe dieser Therapie.
„Da der Teilnehmer nach einer intensiven Rehabilitation allein mit Rückenmarksstimulation zuvor ein Plateau der Genesung erreicht hatte, ist es vernünftig anzunehmen, dass der BSI eine Reorganisation der neuronalen Bahnen auslöste, die für die zusätzliche neurologische Erholung verantwortlich war“, schrieb das Onward-Team. „Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Herstellung einer kontinuierlichen Verbindung zwischen Gehirn und Rückenmark die Neuorganisation verbleibender neuronaler Pfade fördert, die diese beiden Regionen unter normalen physiologischen Bedingungen verbinden.“
Obwohl die Ergebnisse vielversprechend sind, muss noch viel getan werden. Das Onward-Team argumentiert, dass zukünftige Iterationen eine „Miniaturisierung der Basisstation, der Recheneinheit und nicht wahrnehmbarer Antennen“, schnellere Datendurchsätze, „vielseitige Stimulationsparameter, direkte drahtlose Steuerung von der tragbaren Recheneinheit“ und „einen einzigen integrierten Schaltkreis mit geringem Stromverbrauch“ erfordern werden Einbettung eines neuromorphen Prozessors mit Selbstkalibrierungsfunktion, der die kortikale Aktivität autonom in Aktualisierungen von Stimulationsprogrammen umwandelt.“
Trotz der gewaltigen technischen Herausforderungen „beschrieb das BCI-System am Dienstag Natur „Die Veröffentlichung könnte in fünf bis sieben Jahren auf den Markt kommen“, prognostizierte Marver. „Es ist möglich und realistisch, dass bis zum Ende des Jahrzehnts eine BCI-verstärkte Rückenmarkstimulationstherapie auf den Markt kommen wird.“
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