뇌 우회 기술은 마비 환자에게 희망을 제공합니다. 오하이오 주에있는 두 센터의 마비 및 뇌 우회 수술은 뇌 - 컴퓨터 인터페이스를 사용하여 성공했습니다.
차례:
최근에 8 년 전에 마비 된 사지 마비를 앓고있는 남성이 팔의 기능적 운동을 회복했습니다.
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그는 의학 역사상 최초로이 기술을 사용하여 손을 먹었습니다. 오하이오 주 Case Western Reserve University의 연구원은 3 월 28 일 영국 의학 저널 The Lancet에서 연구 결과를 발표했다.
광고머스크의 "신경 레이스"는 월스트리트 저널의 한 보고서에 따르면 사람의 뇌를 컴퓨터와 직접 연결시킬 것이라고한다.
오하이오 주립 대학 (OSU)의 과학자들은 마비 환자와 함께 일하고 있으며 Case Western의 기술과 유사한 기술을 개발했습니다.마비가있는 사람들을 돕는 외골격은 다시 걸어 간다.
뇌 신호를 해독하기
Case Western 과학자들은 자전거 사고로 다친 네 명의 마비 환자 인 Bill Kochevar (53 세)와 함께 일하고있다.
University of Functional Electrical Stimulation (FES) Center의 전무 이사 인 Case Western Biomedical Engineering의 Robert Cirsch 박사는이 연구의 수석 저자입니다.
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그는 돌파구를 주요 단계라고했습니다.
"우리는 누군가의 운동 의도를 녹음하고 자신의 팔로 그 움직임을 만들 가능성을 보여 주었다"고 그는 말했다.그는 단지 자신의 팔과 팔의 움직임에 대해서 생각하고 있습니다. Case Western Reserve University의 Bolu Ajiboye
Kirsch의 동료 Bolu Ajiboye, Case Western의 생물 의학 공학 조교수, Louis Stokes Cleveland Veterans Administration Medical Center의 연구원은 기술이 어떻게 작동하는지 설명했습니다. "정상적인 운동 장애가없는 사람의 움직임은 운동 신호가 전기 신호로 표시되고 척수를 통과 한 후 적절한 근육을 활성화시키기 때문에 발생합니다."라고 Ajiboye는 Healthline에 말했습니다.척수 손상으로 전기 자극이 근육에 전달되는 것을 막을 수 있다고 그는 설명했다. 그러나 원래의 운동 명령은 뇌의 전기 활동 패턴에 적절하게 코드화되어있다.
AdvertisementAdvertisement"우리의 시스템은 뇌 임플란트를 통해 전기 활동의 패턴을 기록하고 수학적 알고리즘을 사용하여 마비가있는 사람이 의도 한 운동 명령으로 디코딩합니다. 그 명령은 운동을 일으키는 근육의 오른쪽 그룹에 적용되는 전기 자극 패턴으로 변환됩니다. Mr. Kochevar에게 프로세스는 매끄럽고 보이지 않습니다. 그의 말에 따르면, 그는 자신이 생각한대로 팔과 팔의 움직임에 대해서 생각한다고 말한다. "
Ajiboye는 또한이 새로운 기술이 아닌 것을 지적했다. 과학은 손상되지 않은 척추를 조직 공학과 재성장으로 "고치는"시도를 여러 번 시도해 왔지만 성공하지 못했다고 그는 말했다. "우리는 과학자들이 세포 치료법을 사용하여 척수를 다시 성장시키고 재 연결하는 방법을 찾길 원한다"고 Ajiboye는 말했다. "그러나 우리의 현재 접근법은 기술을 사용하여 척수 손상을 우회하여 두뇌에서 오른쪽 근육 세트로 움직임 신호를 얻습니다. "마비 환자가 기능을 회복하도록 돕는 다른 기술은 일반적으로 목소리와 눈동자를 사용하거나 머리를 움직여 조절할 수있는 장치에 국한됩니다.
AdvertisementAdvertisement그러나이 장치들 중 어느 것도 자신의 손발을 제어 할 수 없습니다.
"우리의 장치로 사용자는 생각만으로 자신의 사지를 움직일 수 있습니다."라고 Ajiboye는 설명했다. "우리의 시스템이 마비를 되 돌리는 것이 아니라 척수 손상을 우회하고 있음을 분명히 밝힙니다. 시스템이 없으면 사용자는 여전히 마비 상태에 빠지며,이 시스템을 사용하면 결국 척추 재성장이 발생하거나 시스템없이 움직일 수있는 능력을 다시 갖게 될 것이라는 증거는 없습니다. "더 자세히 읽으십시오: 마비 환자가 팔다리의 사용을 되 찾는 데 도움이되는 임플란트»
기술의 작동 원리
Case Western 기술이 독특한 이유는 무엇입니까?이 시스템은 마비 된 근육을 전기적으로 활성화하기 위해 뇌 임플란트 컴퓨터 인터페이스와 FES 시스템을 모두 사용하는 최초의 시스템입니다. 그 전에 과학자들은 마비로 많은 사람들을 치료했지만 단 하나의 접근만으로 치료했습니다.
Kochevar는이 결합 된 기술을 처음으로 경험했습니다. Ajiboye는 많은 연구 그룹이 인간과 비 인간 영장류와 함께 뇌 인터페이스 시스템을 사용했다고 말했다. 두 테스트 그룹 모두 컴퓨터 화면에서 커서를 움직이거나 로봇 팔을 움직이는 것과 같은 작업을 수행 할 수있었습니다. "우리의 FES 센터는 지난 25 ~ 30 년 동안 척수 손상 환자를 대상으로 서, 걷기, 호흡, 손과 팔 움직임을 포함한 다양한 기능을 회복시키기 위해 FES 시스템을 이식했습니다.
Kochevar는 2014 년에 Case Western 연구 프로젝트에 참여했습니다. 그 해 12 월에 뇌 임플란트를 받았습니다.2015 년 Kirsch, Ajiboye 및 그의 동료들은 팔과 손의 근육에 전극을 이식했습니다.
Kochevar는 다른 장치를 제어하기 위해 뇌 신호를 활성화하는 법을 배웠습니다."우리는 처음에 가상의 팔 움직임을 컴퓨터 화면에서 볼 수 있었지만 동시에 자신의 팔로 같은 움직임을 만드는 것을 상상했다"고 Ajiboye는 말했다. "이것은 신경 활동의 패턴을 생성했습니다. 우리는 생성 된 신경 활동 패턴을 가상 팔 동작의 측면과 관련시키는 수학적 알고리즘 인 신경 디코더를 개발했습니다. "다음으로 코 체바 (Kochevar)는 신경 디코더에 의해 해석 된 뇌 신호의 패턴을 생성함으로써 가상 팔을 제어한다고 아지 보예 (Ajiboye)는 말했다.
Kochevar는 가상 팔을 작업 공간의 지정된 대상으로 정밀하게 이동하도록 교육했습니다. 과학자들은 가상 팔에 대한 뇌의 통제를 정량화하여 거의 즉시 제어 할 수 있다는 것을 발견했다고 Ajiboye는 말했다. 또한 Kochevar는 상대적으로 신속하게 목표 정확도의 95 ~ 100 %의 성공률을 달성했습니다. 마지막으로, 과학자들은 Kochevar가 2 단계 과정에서 FES 자극을 통해 팔을 움직이려 시도했다.
"우리는 팔을 수동으로 움직여 (전기 자극을 통해) 팔 운동을 제어 할 수 있다고 상상해 보라고 지시했다"고 아 지보 예는 말했다. "다시 말하지만, 이것은 우리가 신경 디코더를 구축하고 정제하는 데 사용했던 원하는 신경 활동 패턴을 생성하는 데 도움이되었습니다. 우리는 전기 자극을 통해 재 활성화 된 자신의 팔의 움직임을 명령하기 위해 최종 신경 디코더를 사용하게했습니다. 그는 즉각적으로 팔을 원하는대로 움직일 수 있었고 사용이 증가함에 따라 점차적으로 나아졌습니다. "Case Western이 발표 한 비디오에서 Kochevar는"팔을 움직이는 것이 좋았 기 때문에 놀랍습니다. 나는 그것을 위아래로 움직일 수 있었다. "Kochevar는 장기간 마비가 있었기 때문에 근육이 처음에는 약하고 쉽게 피곤했다. Ajiboye는 말했다. 그의 근육 강도와 피로 저항을 만들기 위해 팀은 뇌 인터페이스 시스템없이 전기 자극을 사용하여 하루에 몇 시간 동안 근육을 "운동"했습니다.
시간이 지남에 따라 전기적으로 자극받은 운동은 근육의 힘과 피로감없이 더 오래 시스템을 사용할 수있는 능력을 증가 시켰습니다.
자세히보기: 인간은 자신의 뇌파를 사용하여 걷기 능력을 회복합니다.
뇌 - 컴퓨터 인터페이스
Case Western 혁신과 마찬가지로 오하이오 주 혁신은 수년간의 마비로 사지 마비를 가진 사람이 손을 사용하도록 도왔습니다. 연구팀은 신경 외과 및 신경 과학 교수 인 Ali Rezai 박사와 대학의 Wexner 의료 센터에서 신경 변조 센터 (Neuromodulation Center) 소장을 지 냈습니다. 환자, Ian Burkhart는 다이빙 사고로 19 세에 심한 척수 손상을 입었습니다. 어깨와 팔뚝에는 기능과 움직임이 거의없고 팔꿈치에서 손까지 움직이지 않았습니다.
"우리 팀은 손상된 척수를 우회하는 뇌 - 컴퓨터 인터페이스 기술을 개발하여 척수 손상 및 사지 마비로 이안 (Ian)과 같은 환자가 5 년 동안 손을 움직일 수 없도록 허용하여 환자의 생명을 잃은 손이 살아나고 자신의 의지에 따라 통제 될 것 "이라고 말했다. 914> Battelle의 Nick Annetta는 그의 마비 된 손을 사용하여 기타 비디오 게임을하는 Ian Burkhart (24 세)를 보았다. 이미지 원본: 오하이오 주립 대학 Wexner 의료 센터 / Battelle
Rezai는 2014 년 4 월 Burkhart의 뇌의 운동 피질 표면에 연필 지우개 헤드 크기의 마이크로 칩을 이식했습니다. 칩의 96 개의 미세 전극은 개인 뉴런의 발사를 기록했다. Rezai와 그의 동료들은 버크 하트가 손을 움직이려 할 때 발생하는 두뇌 활동을 기록하고 분석하는 신경 우회 시스템을 개발했다. 손상된 척수를 우회하고 뇌에서 근육 신경으로의 연결이 손상된 후 시스템은 버크 하트의 뇌 신호를 외부의 복부 소매와 연결 짓는다.
이것은 버크 하트가 손을 움직일 수있게 해줍니다.
"뇌 임플란트 "그것은 신경 근육 자극 시스템입니다. 예를 들어 손을 여는 등의 의도와 관련된 생각은 실제 기능적 손 움직임에 밀리 초 이내에 연결되어 있습니다. "외부 웨어러블 슬리브가먼트 및 자극 시스템의 첫 번째 세대는 160 가지의 자극 전극을 가지고 있습니다."다양한 형태의 전극을 고해상도로 고해상도로 배열 한 슈퍼 유연한 하이드로 겔로 구성되었습니다. 팔뚝과 같은 등고선. "의복은 슬리브, 장갑, 양말, 바지, 벨트, 머리띠 및 기타 폼 팩터로 만들 수 있습니다. "커피를 휘젓거나, 칫솔을 사용하거나, 비디오 게임을 즐기기 위해 흔들리는 사람을 매끄럽게 유치하기 위해서는 상당한 복잡성과 조정이 필요하다"고 그는 말했다. "이 기계 학습 알고리즘은 거칠고 고르지 않은 동작에서 더 부드럽고 유동적 인 동작으로 동작을 개선하고 개선합니다. "
앞으로의 낙관론
최근 돌파구를 관찰 한 신경 과학자들은 인상 깊고 낙관적입니다.
샌프란시스코, 통합 신경 과학 센터 (University of California, University of California, University of Philadelphia)의 필립 세이브 스 연구소 (Philip Sabes Lab) 박사 과정의 수석 연구원 인 조셉 오 도허티 (Joseph O'Doherty) 박사는 뇌 - 컴퓨터 인터페이스 기술의 최근 발전을 "획기적인 기술"이라고 부른다. "
"이 연구는 마비 된 팔다리가 일상 생활에서 중요한 조율 된 다 관절 운동을 회복, 즉 파악, 파악, 먹고 마시는 것만으로 생각만으로 재 활성화 될 수 있음을 보여줍니다 "라고 Healthline에 전했다. "이것은 유사한 치료법이 곧 병원 밖에서 입양을 할 수있는 가능성을 높이는 원리 증명 시연입니다. "과학자들은 1960 년대 후반부터 어떤 형태로든 두뇌 - 컴퓨터 인터페이스를 연구하고 있다고 그는 말했다. 현장은 컴퓨터 커서의 제어에서 휠체어 및 로봇 팔 이동에 이르기까지 지금은 팔다리에 대한 자발적인 제어를 재개하기 위해 진행되었습니다.
"척수 손상은 종종 움직이는 능력과 접촉 감을 손상시킵니다. "사지 감각을 복원하는 것은 유체 및 자연스러운 움직임을 허용하는 신경 프로스트의 중요한 요소가 될 것입니다. 극복해야 할 과제가 여전히 많지만 무선 기술, 배터리 기술, 재료 과학 등의 많은 발전과 결합 된이 새로운 결과로 복원을위한 신경 인공 장치에 대해 매우 낙관적 인 태도를 보였다 " 운동과 감각이 널리 보급되고 있습니다. "
이러한 혁신은 마비 나 다른 신체적 장애가있는 많은 환자들에게 운동 회복 및 자립심 증대에 대한 희망과 가능성을 제공합니다. Rezai 박사는 미국의 12 명의 000 명의 환자가 매년 척수 손상을 입었고, 300,000 명은 자동차 사고, 외상, 스포츠 상해로 인한 부상자들과 함께 살고 있다고 Rezai 박사는 말했습니다., 그리고 폭포.
1 % 미만은 완전한 회복을 달성하고, 대부분은 제한된 독립성을 제공하기 위해 다양한 보조 및 적응 기술에 의존하는 적자를 가지고 있습니다.
이러한 혁신은 마비 나 다른 신체적 장애가있는 많은 환자들에게 운동 회복과 자립심 증대를위한 희망과 잠재력을 제공한다. "모터의 개선 외에도이 기술은 감각 결핍, 만성 통증, 언어 발달, 뇌졸중,인지, 불안 및 행동 관련성이있는 사람들에게 잠재적 인 함의를줍니다. 레자 이는 신체적, 감각적,인지 적 및 기타 장애가있는 사람들이 더 기능적 일 수 있고, 독립성과 삶의 질을 향상시킬 수있는 기회를 갖게 될 것이라는 희망을 갖고 있다고 말했다. "우리의 목표는이 기술을 덜 침략적으로 만들고, 장치의 크기를 줄이며, 센서를 소형화하고, 시스템을 무선으로 만들고, 실험실 대신 가정에서 시스템을 제공하는 것입니다."
Case Western 팀도 시스템을 기술적으로 발전시키기 위해 노력하고 있습니다.
"사용자를 연결하는 케이블을 녹음 용 컴퓨터로 대체하기 위해 무선 두뇌 인터페이스를 개발해야한다"고 Ajiboye는 말했다. "우리는 장수를 위해 뇌 임플란트를 강화하고, 우리가 기록 할 수있는 뉴런의 수를 늘리고, 완전히 이식 된 뇌 인터페이스와 기능적 전기 자극 시스템을 개발해야합니다. "
