211service.com
Naadloos versmelten van mens en machine
Een nieuw implantaat bezaaid met spiercellen zou prothetische ledematen beter kunnen integreren met het lichaam, waardoor geamputeerden meer controle hebben over robotaanhangsels. Het construct, ontwikkeld aan de Universiteit van Michigan, bestaat uit kleine kopjes, gemaakt van een elektrisch geleidend polymeer, die op zenuwuiteinden passen en de doorgesneden zenuwen aantrekken. Elektrische signalen die van de zenuw komen, kunnen dan worden vertaald en gebruikt om de ledemaat te bewegen.
Levende interface: Spiercellen (hier afgebeeld) worden gekweekt op een biologische steiger. Afgesneden zenuwen die overblijven van het verloren ledemaat, verbinden zich met de spiercellen in de interface, die elektrische signalen uitzenden die kunnen worden gebruikt om de kunstmatige arm te besturen.
Dit lijkt een elegante manier te zijn om een prothese met fijne bewegingen te besturen, zegt Rutledge Ellis-Behnke, een wetenschapper aan het MIT die niet betrokken was bij het onderzoek. In plaats van een groot stom stuk plastic aan de arm vastgebonden te hebben, zou je eigenlijk een geïntegreerd hulpmiddel kunnen hebben dat aanvoelt alsof het een deel van het lichaam is.
Tegenwoordig is het bewegen van de meeste prothesen moeilijk en beperkt. De ledematen worden gecontroleerd door bewuste beweging van de resterende spieren - de drager kan bijvoorbeeld een borstspier aanspannen om de arm in een bepaalde richting te bewegen. Het rechtstreeks aansluiten van resterende zenuwen op kunstmatige ledematen zou een meer intuïtieve manier bieden om ze te controleren. Maar pogingen om perifere zenuwinterfaces te bouwen zijn grotendeels belemmerd door de groei van littekenweefsel, wat het nut en de duurzaamheid van geïmplanteerde apparaten beperkt.
De meest succesvolle methode voor het controleren van een prothese tot nu toe is een chirurgische ingreep waarbij zenuwen die voorheen vastzaten aan spieren in een verloren arm en hand, in de borstkas worden getransplanteerd. Wanneer de drager denkt aan het bewegen van de hand, trekken de borstspieren samen en die signalen worden gebruikt om de ledemaat te besturen. Hoewel het een enorme verbetering is ten opzichte van bestaande methoden, biedt deze benadering nog steeds een beperkt niveau van controle - er kunnen slechts ongeveer vijf zenuwen naar de borst worden getransplanteerd.
De nieuwe interface, ontwikkeld door plastisch chirurg Paul Cederna en collega's, bouwt voort op dit concept en gebruikt getransplanteerde spiercellen als doelwit in plaats van intacte spieren. Nadat een ledemaat is doorgesneden, blijven de zenuwen die er oorspronkelijk aan vastzaten ontkiemen, op zoek naar een nieuwe spier om verbinding mee te maken. (Dit biologische proces kan soms pijnlijke klitten van zenuwweefsel veroorzaken, neuromen genaamd, aan het uiteinde van de afgehakte ledemaat.) De zenuw stuurt constant signalen stroomafwaarts om de hand te vertellen wat hij moet doen, zelfs als de hand er niet is, zegt Cederna. We kunnen die signalen interpreteren en gebruiken om een prothese te laten lopen.
De interface bestaat uit een kleine komvormige structuur met een diameter van ongeveer een tiende van een millimeter die operatief wordt geïmplanteerd aan het uiteinde van de zenuw, waarbij zowel motorische als sensorische signalen van de zenuw naar de prothese worden doorgegeven. In de beker bevindt zich een steiger van biologisch weefsel bezaaid met spiercellen - omdat motorische en sensorische zenuwen verbindingen maken met spieren in gezond weefsel, vormen de spiercellen een natuurlijk doelwit voor dwalende zenuwuiteinden. De doorgesneden zenuw groeit in de beker en maakt verbinding met de cellen en zendt elektrische signalen uit de hersenen uit. Omdat het is gecoat met een elektrisch actief polymeer, fungeert de beker als een draad om elektrische signalen op te vangen en door te geven aan een robotarm. Het team van Cederna ontwikkelt zelf geen prothesen, maar hij zegt dat de signalen via bestaande draadloze technologie kunnen worden overgedragen.
Tot nu toe hebben wetenschappers de interface getest bij knaagdieren met een doorgesneden perifere zenuw, wat aantoont dat de zenuw in de beker zal groeien en verbindingen zal maken met de spiercellen. Als ze het uiteinde van het neuron in dat gebied intact kunnen houden, is dat een grote doorbraak, zegt Ellis-Behnke. De zenuwen bij ratten zijn ongeveer even groot als die bij mensen. Het onderzoek werd vandaag gepresenteerd op een conferentie van de American College of Surgeons in Chicago.
Het apparaat kan ook sensatie terugvoeren naar sensorische zenuwen, die warmte, druk en andere informatie van de huid naar de hersenen doorgeven. Net als motorische zenuwen maken sensorische zenuwen verbindingen met de spiercellen in de beker. Bij knaagdierproeven hebben wetenschappers twee zenuwen in een enkel dier afgedekt: één motor en één sensorisch. Hoewel de rat geen prothese had, konden wetenschappers aantonen dat het implantaat de doorgesneden zenuw kon overbruggen en neurale berichten erover kon verzenden; het kietelen van de voet van de rat veroorzaakte spiercelactiviteit in het implantaat.
Zintuiglijk vermogen is een belangrijk ontbrekend onderdeel van de hedendaagse prothesen - tactiele, druk- en temperatuurfeedback is van vitaal belang voor het oppakken van een kwetsbaar ei of een hete pan. Uiteindelijk zouden prothetische ledematen kunnen worden uitgerust met warmte- of druksensoren die die informatie naar spiercellen in de interface kunnen verzenden en deze informatie naar de hersenen kunnen sturen.
Het onderzoek bevindt zich nog in de beginfase en er moeten nog een aantal vragen worden beantwoord. We moeten uitzoeken hoe lang het duurt voordat de verbindingen functioneel zijn en wat de duurzaamheid en robuustheid zal zijn, zegt Joseph Pancrazio , een programmadirecteur van het National Institute for Neurological Disorders and Stroke, die niet betrokken was bij het onderzoek. Maar het ziet er erg spannend uit. Het onderzoek wordt gefinancierd door het ministerie van Defensie.
Een van de grootste problemen met neurale implantaten tot nu toe was de stabiliteit van de apparaten, omdat geïmplanteerde elektroden vaak bedekt raken met littekenweefsel en niet meer werken. Tot dusver, gedurende de zes maanden dat de wetenschappers de interfaces bij ratten hebben beoordeeld, zijn er geen tekenen van littekens geweest. Hoewel wetenschappers niet zeker weten waarom, kan het zijn dat de cup het implantaat beschermt tegen de ontstekingsreacties die leiden tot littekens, of dat het bieden van een doelwit voor de zenuwcellen deze reacties volledig dempt door een meer normale omgeving voor de doorgesneden zenuw te creëren. De onderzoekers houden de implantaten nu dagelijks in de gaten om hun duurzaamheid in de tijd te bepalen.
Een bijzonder veelbelovende vroege bevinding is echter dat het weefsel rond de interface nieuwe bloedvaten aanmaakt om de geïmplanteerde spiercellen te voeden, waardoor ze de voedingsstoffen krijgen die ze nodig hebben om te overleven.
Het is nog niet duidelijk hoeveel van deze zenuwkapjes patiënten nodig zouden hebben voor adequate controle over een geavanceerd kunstledemaat. Iemand die bijvoorbeeld zijn arm op schouderhoogte heeft verloren, heeft voldoende zenuwdoppen nodig om de elleboog, pols en vingers te buigen en te strekken, evenals die voor sensorische zenuwen. De enige beperking, zegt Cederna, is hoe hightech ze de protheses kunnen maken.