Ein neues Verständnis neuronaler Schaltkreise kann die Entwicklung gedankengesteuerter Prothesen für gelähmte Menschen beschleunigen | 2020

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Anonim

„Die klinischen Auswirkungen dieser Art von Grundlagenforschung sind enorm“, sagt Dr. György Buzsáki von der Rutgers University, einem Experten für neuronale Schaltkreise. "Durch das Verständnis des Kommunikationsprozesses normaler neuronaler Schaltkreise können wir Wege finden, um Menschen mit einer Verletzung oder einer Störung zu helfen, die ihre Schaltkreise beschädigt und ihre Funktion beeinträchtigt hat."

Zum Beispiel wird die Forschung wahrscheinlich die Entwicklung von „gedankengesteuerten Prothesen“ unterstützen, die Amputierten oder Lähmungskranken helfen können, die ihre Gliedmaßen nicht benutzen können. Normalerweise berechnen und übertragen Schaltkreise von Nervenzellen im Gehirn ständig komplexe Signale über das Rückenmark und die peripheren Nerven, um einen Arm, eine Hand, ein Bein oder einen Fuß zu bewegen. Eine Verletzung, die zum Verlust eines Gliedes oder zur Beschädigung des Rückenmarks führt, kann diese Kommunikationslinie durchtrennen und die gewünschte Bewegung verhindern. Theoretisch könnte eine gedankengesteuerte Prothese, die auch als Schnittstelle zwischen Gehirn und Maschine bezeichnet wird, den Verlust oder die Beschädigung umgehen, indem sie die Nervenzellensignale direkt interpretiert und dann eine Bewegung in einer Prothese auslöst.

Die Entwicklung dieser Geräte erfordert einen zweigleisigen, parallelen Ansatz. "Das erste ist das Verständnis der Selbstorganisation gesunder neuronaler Schaltkreise", sagt Buzsáki. "Zweitens wird die Verwendung dieser Informationen zur Steuerung von Prothesen und zur Rückmeldung von Informationen an das Gehirn verwendet." Die neuesten Fortschritte in der Geräteentwicklung werden auf der Pressekonferenz zu Prothesen auf der Jahrestagung der Society For Neuroscience vorgestellt. Diese Sitzung wird sich auf die erste Ausgabe konzentrieren und die Fortschritte auf den Gebieten der Grundlagenforschung beschreiben, die bei der Entschlüsselung der Kommunikation neuronaler Schaltkreise hilfreich sind.

Eine neue Analyse, die einige Schaltungsaktivitäten entschlüsselt hat, könnte dazu beitragen, den Entwicklungsprozess einer gedankengesteuerten Prothese zu vereinfachen. "Unsere Erkenntnisse sind ein wichtiger Schritt in Richtung der Entwicklung von gedankengesteuerten Prothesen wie Roboterarmen für Patienten mit schweren neurologischen Verletzungen, einschließlich Patienten mit vollständiger Lähmung", sagt der Studienautor Dr. Miguel Nicolelis von der Duke University .

In der Studie untersuchten die Forscher 11 Wachpatienten, die sich einer Operation zur Behandlung der Parkinson-Krankheit unterzogen hatten. Vor der chirurgischen Behandlung verwendeten die Forscher Elektroden, um gleichzeitig Signale von Gruppen von Nervenzellen in zwei Regionen des Gehirns aufzuzeichnen, die die Bewegungssteuerung unterstützen. Nervenzellen kommunizieren miteinander, indem sie elektrische Signale senden. Eine gebräuchliche Methode, um diese Aktivität zu untersuchen, besteht darin, winzige Drähte oder Elektroden im Gehirn zu platzieren. Auf diese Weise können Forscher die elektrischen Signale einzelner Neuronen „sehen“.

Während der Aufzeichnungen führten die Patienten eine visuelle Handgreifaufgabe durch. „Bemerkenswerterweise waren kleine Gruppen von 3 bis 35 gleichzeitig erfassten Nervenzellen ausreichend informationsreich, um die Greifkraft während eines 2,5-minütigen Testzeitraums mit beträchtlicher Genauigkeit vorherzusagen“, sagt Nicolelis. "Diese Erkenntnis könnte den Entwicklungsprozess von gedankengesteuerten Prothesen vereinfachen."

Eine gedankengesteuerte Prothese benötigt ein Computerprogramm, das die komplexe Sprache von Nervenzellen lesen und dekodieren kann, um eine beabsichtigte Bewegung in einem Roboterglied auszulösen. „Unsere Studie legt nahe, dass das Computerprogramm möglicherweise nur die Sprache einiger hundert zufällig ausgewählter kleiner Gruppen von Zellen verstehen muss, um die Roboterglieder anzutreiben“, sagt Nicolelis.

Eine weitere neue Studie des Nicolelis-Labors bei Duke könnte auch dazu beitragen, die Entwicklung von Computerprogrammen für gedankengesteuerte Prothesen zu vereinfachen. „Wir haben festgestellt, dass bestimmte gemeinsame Komponenten in den Signalen von Gruppen von Nervenzellen eine Vielzahl von Bewegungsrichtungen besser vorhersagen als die Informationen einer einzelnen Nervenzelle“, sagt Nicolelis.

In der Studie implantierten die Forscher Elektroden zur Signalaufzeichnung in Gehirnregionen, von denen bekannt ist, dass sie das Erreichen von Bewegungen bei zwei Affen unterstützen. Anschließend trainierten die Forscher von Duke die implantierten Affen, um mit einem Joystick einen Cursor auf einem Computerbildschirm zu steuern. Ziele erschienen auf dem Bildschirm, und die Affen griffen mit dem Cursor nach ihnen. In der nächsten Versuchsreihe steuerten die Affen die Bewegungen eines Roboterarms mit demselben Joystick. Der Roboter war für die Affen unsichtbar, aber der Cursor gab eine visuelle Rückmeldung über die Position des Roboters.

Eine Analyse ergab, dass gemeinsame Komponenten aus der Signalaktivität einer großen Population von Nervenzellen Bewegungsrichtungen besser vorhersagten als die Aktivität einzelner Nervenzellen. „Wir glauben, dass wir die Informationen aus den großen Zellpopulationen verwenden können, um den Roboterarm dazu zu bringen, eine Vielzahl von Bewegungsaufgaben auszuführen“, sagt Nicolelis. "Zusammen können die Forschungen dazu beitragen, die Entwicklung des Computerprogrammteils gedankengesteuerter Prothesen zu vereinfachen."

Andere Forscher am Massachusetts Institute of Technology haben zwei neue Techniken entwickelt, mit denen Wissenschaftler die Aktivität neuronaler Schaltkreise besser analysieren können.

„Die Kombination neuer elektrischer und optischer Techniken bietet uns beispiellose Möglichkeiten, die Funktionsweise von Schaltkreisen im Gehirn zu untersuchen“, sagt die Studienautorin Michale Fee, PhD.

Auf der elektrischen Seite haben Fee und seine Kollegen eine Methode entwickelt, mit der sich die standardmäßige Verwendung von Elektroden zur Messung der elektrischen Signale zwischen Nervenzellen verbessern lässt. „Wir haben ein winziges Gerät namens Microdrive entwickelt, das bis zu drei Elektroden in ausgewählten Hirnregionen an einer genauen Position hält“, sagt Fee. "Darüber hinaus ermöglichen uns winzige Motoren im Gerät, die Elektroden per Fernbedienung zu bewegen, elektrische Signale von einzelnen Nervenzellen zu finden und deren Aktivitätsmuster aufzuzeichnen."

Dieser Aufbau ist ideal für die Untersuchung von Tieren wie Singvögeln während ihres normalen Verhaltens. „Wir konnten die Elektroden positionieren und Nervenzellen im Gehirn des Singvogels finden, ohne den Vogel zu stören“, sagt Fee. "Aufgrund dieser Fähigkeit stellten wir fest, dass eine bestimmte Gruppe von Nervenzellen das genaue Timing der Vogelstimmen steuert."

Eine andere Möglichkeit, die Aktivität von Nervenzellen im Gehirn zu untersuchen, besteht darin, die Zellen unter einem Mikroskop zu betrachten. Wenn Nervenzellen sich gegenseitig ein Signal geben, kommt es in der Zelle zu chemischen Veränderungen. Beispielsweise bewirkt die elektrische Aktivität in einer Nervenzelle, dass winzige Mengen an Calciumionen in die Zelle fließen, und optische Techniken können diese Änderung hervorheben. „Es gibt bestimmte fluoreszierende Farbstoffe, die die Lichtmenge ändern, die sie abgeben, je nachdem, wie viel Kalzium in der Nähe ist“, sagt Fee. „Wenn wir also etwas von diesem Farbstoff in eine Nervenzelle geben, können wir sehen, wie die Zelle bei ihrer Arbeit aufblitzt und andere Nervenzellen signalisiert.“ In der Vergangenheit war diese Technik jedoch nicht für das Bewegen von Tieren geeignet.

Fee und seine Kollegen haben dies geändert, indem sie ein spezielles Miniaturmikroskop entwickelt haben, das wie eine Ratte auf den Kopf eines kleinen Tieres gelegt werden kann. „Auf diese Weise können wir Veränderungen der Fluoreszenz tief im Gehirn eines Tieres beobachten, das sich frei bewegen kann“, sagt Fee. "In Zukunft sollten wir in der Lage sein, ganze Gruppen von Nervenzellen im Gehirn zu beobachten, wie sie ihre Signale miteinander austauschen, wenn ein Tier seine Geschäfte macht."