211service.com
Herbedrading van de hersenen
Een paar gedeeltelijk verlamde apen herwon het vermogen om hun polsen te bewegen toen onderzoekers individuele neuronen rechtstreeks op de armspieren van de aap bedraadden, volgens een studie die online is gepubliceerd in Natuur op woensdag.
Verplaats een spier: Verlamde apen herwonnen het vermogen om hun polsen te bewegen toen hun zenuwstelsel opnieuw werd bedraad. Door hersencellen rechtstreeks aan spiercellen te verbinden via een computer die hersenactiviteit omzet in een elektrische schok, omzeilden onderzoekers de defecte verbinding zodat de apen hun eerder verlamde polsen konden bewegen om een cursor in een doos op het scherm te manipuleren.
Deze benadering zou zeer relevant zijn voor patiënten met dwarslaesie, zegt: Noordwestelijke Universiteit neurowetenschapper Lee Miller , die niet bij het werk betrokken was.
De onderzoekers, onder leiding van Eberhard Fetz , hoogleraar fysiologie en biofysica aan de universiteit van Washington , tijdelijk de arm van elke aap verlamd. Vervolgens leidden ze de hersensignalen rond de geblokkeerde zenuwbaan door draden van een enkel neuron in de motorische cortex - het hersengebied dat verantwoordelijk is voor beweging - door een computer naar een spier in de arm te leiden. Telkens wanneer het neuron boven een bepaalde snelheid vuurde, vertaalde de computer het signaal in een elektrische schok naar de armspier, waardoor deze samentrekt.
Als test van de herbedrading lieten de onderzoekers elke aap een eenvoudig videospel spelen. Door zijn pols te bewegen, kon de aap een cursor op een computerscherm manipuleren. Door de cursor in een vak aan de zijkant van het scherm te plaatsen, kreeg de aap een beloning. Hoewel de herbedrade hersencel willekeurig werd gekozen, leerden de apen snel hun verlamde polsen te bewegen.
We ontdekten, opmerkelijk genoeg, dat bijna elk neuron dat we in de hersenen hebben getest, kan worden gebruikt om dit soort stimulatie te beheersen, zegt Chet Moritz, een senior research fellow aan de Universiteit van Washington en co-auteur van het artikel. Zelfs neuronen die niets te maken hadden met de beweging van de pols vóór de zenuwblokkade, konden onder controle worden gebracht en gecoöpteerd.
Normaal gesproken zou armbeweging - zelfs de samentrekking van een enkele armspier - niet het gevolg zijn van het afvuren van een enkel neuron, maar van de gecoördineerde actie van vele neuronen in de motorische cortex. Die neuronen zouden een elektrisch signaal initiëren dat zich door het ruggenmerg en door perifere zenuwen voortplant om armbewegingen te activeren die zijn afgestemd op de bedoeling van de aap.
Andere groepen hebben die complexe neuronen-afvuurpatronen vastgelegd en computeralgoritmen gebruikt om ze in actie om te zetten, bijvoorbeeld door een computercursor te verplaatsen. In plaats daarvan koppelde de University of Washington-groep een enkel neuron aan een enkele spier. Onze benadering is om de ruwe connectiviteit te creëren tussen afzonderlijke neuronen in de hersenen en spieren, of spiergroepen, en de aap te laten leren hoe die connectiviteit te gebruiken.
Het gebruik van een enkel neuron heeft zijn voordelen, zegt Moritz. Het omzetten van de vuursnelheid van één cel in een elektrische schok is een eenvoudige berekening, die gemakkelijk kan worden uitgevoerd met een apparaat ter grootte van een mobiele telefoon. Het vertalen van gelijktijdige metingen naar een reeks gecoördineerde spierbewegingen kost veel meer rekenkracht.
Maar om de single-neuron-benadering bruikbaar te maken voor een verlamde patiënt, moet deze met succes worden opgeschaald. Het aanspannen van één armspier biedt weinig praktische beloning; bewegingen zoals reiken en grijpen vereisen veel spieren om samen te werken. De onderzoekers hebben al stappen in die richting gezet. Ten eerste toonden ze aan dat een enkele cel twee verschillende spieren kon trainen: een hoge vuursnelheid zorgde ervoor dat de pols ging buigen, terwijl een lage vuursnelheid ervoor zorgde dat deze zich uitbreidde. Vervolgens maakten ze tegelijkertijd twee omgeleide verbindingen, waarbij één neuron was aangesloten op de polsstrekkende spier en een andere op de polsspier.
Maar Andrew Schwartz , hoogleraar neurobiologie aan de Universiteit van Pittsburgh , twijfelt. Een bewegende arm, zegt Schwartz, is een zeer gecompliceerd mechanisch systeem. Elke geavanceerde armbeweging vereist niet alleen een groot aantal nauwkeurig gecoördineerde spieren die over verschillende complexe gewrichten werken, maar ook de voortplanting van krachten langs de ledematen. Als het je bedoeling is om een beweging te genereren, moet je op de een of andere manier het effect van al deze krachten op de arm berekenen, zegt Schwartz. Het is niet alleen: 'Activeer een spier en de arm gaat waar je wilt.' Er komt veel wiskunde bij kijken.
Volgens de groep van de Universiteit van Washington is het misschien mogelijk om de vraag hoe ingewikkelde bewegingen te genereren, te omzeilen door een enkele hersencel rechtstreeks naar een specifiek gebied van het ruggenmerg te bedraden. . Het stimuleren van een enkele locatie in het ruggenmerg activeert vaak 10 tot 15 verschillende spieren in een precieze balans, zegt Moritz.
Naast alle theoretische tekortkomingen van de strategie met één neuron, zijn er een aantal technologische hindernissen die moeten worden overwonnen voordat het bij patiënten kan worden gebruikt. Elektrodemetingen van een individuele hersencel kunnen in de loop van de tijd verslechteren, waardoor de omgeleide verbinding mogelijk wordt vernietigd. Als gevolg hiervan, zegt Moritz, zou elke langetermijnconfiguratie een zekere mate van redundantie nodig hebben.
Ook, voegt hij eraan toe, zou het systeem idealiter volledig implanteerbaar zijn. Telkens wanneer draden door de huid steken, zoals bij de apenexperimenten, introduceren ze risico's op infectie en verstoring. De groep is van plan dit probleem aan te pakken met geminiaturiseerde componenten en draadloze technologie.
Omdat hun aanpak relatief weinig rekenkracht vereist, zegt Moritz, denken we dat we een stap dichter bij volledig implanteerbare systemen met een laag vermogen kunnen komen.