Hjerneimplantat gjør det mulig for innelåst mann å oversette tanker til skriftlige setninger

Publisert av Platon

Følgere: 0

ALS (amyotrofisk lateral sklerose) er ødeleggende grusom. Ettersom nevroner som kontrollerer bevegelser sakte dør ut, mister du evnen til å gå, snakke og puste. Sinnet ditt forblir skarpt, men du er helt innelåst, uten noen måte å kommunisere med omverdenen på.

Det er det en 37 år gammel mann opplevde. Diagnostisert som 30-åring mistet han evnen til å snakke og gå på bare 4 måneder. På to år kunne han ikke lenger bevege øynene - hans eneste metode for å kommunisere med sin kone og lille sønn. Han pustet gjennom en ventilator og ble fullstendig lammet, og ble fanget inne i sinnet.

Mannen var fast bestemt på å bryte ut av sitt fysiske fengsel og meldte seg på en svært eksperimentell prosedyre. To mikroelektrodematriser ble kirurgisk implantert i hjerneregioner som kontrollerer bevegelse. Litt over 100 dager etter operasjonen, og etter omfattende opplæring, kunne pasienten bruke sinnet til å stave tankene sine i hele setninger.

Hans første forespørsel? Endre kroppsposisjonen for å være mer komfortabel. Hans neste? «Jeg vil gjerne høre på albumet av Tool [et band] høyt," så "Nå en øl."

"Folk har virkelig tvilt på om dette i det hele tatt var gjennomførbart," sa Dr. Mariska Vansteensel ved University Medical Center Utrecht, som ikke var involvert i studien, til Vitenskap.

Hvis det replikeres, lover systemet å bringe tilbake kommunikasjon til hundretusenvis av mennesker som er låst inne i tankene deres, det være seg på grunn av ALS, hjerneslag, kreft eller traumatiske hjerneskader. Foreløpig er metoden fortsatt langt fra klar for klinisk bruk. Bortsett fra år med opplæring, er prosedyren svært skreddersydd for hver person, med en heftig regning på minst $500,000 XNUMX i løpet av de to første årene.

Feltet er også fast i kontrovers, med to av studiens forfattere involvert i en vitenskapelig mishandlingsskandale for sine tidligere arbeid med innelåste pasienter. Når det gjelder det nye arbeidet, sa hjerneimplantatekspert Dr. Natalie Mrachacz-Kersting ved Universitetet i Freiburg, som ikke var involvert, men er klar over historien deres, "Jeg vil si det er en solid studie».

Pasienten kunne ikke bry seg mindre. "Først vil jeg takke" Dr. Niels Birbaumer, hovedforfatteren av studien, sa han med sinnet. Et år senere, "mitt største ønske er en ny seng og at jeg i morgen blir med deg på grillmat," fortalte han familien sin.

Den lange veien dit

Hjernekirurgi er ikke noens førstevalg.

Etter diagnosen hans kartla mannen en spillplan kjent for enhver familie som kjemper mot ALS. I midten var det et øyesporingsapparat han kunne bruke til å stave tankene sine. Men da musklene rundt øynene gradvis sviktet, klarte han ikke lenger å feste blikket, noe som gjorde sporeren ubrukelig. Familien utviklet deretter sitt eget penn-og-papir-system slik at de kunne spore enkle tanker basert på øyebevegelsene hans. Det var rudimentært: enhver observerbar øyebevegelse betraktes som et "ja", ellers antar de "nei."

Pasienten innså at han snart kan miste all øyekontroll, og begynte sin reise for å kommunisere gjennom hjernens elektriske signaler alene. Med fremveksten av stadig kraftigere programvare og biokompatible hjerneimplantater, koble hjernen til datamaskiner– og å omgå nevrale skader – eksploderer til en svært kraftig, om enn eksperimentell, strategi for å bekjempe lammelse.

Fra og med et ikke-invasivt oppsett, ble han utstyrt med elektroder på overflaten av skallen for å fange hjernens brede elektriske mønstre. Fordi hodeskallen sprer signaler og bringer inn støy, målte systemet også elektriske signaler over øyet som en egen datakilde. Utviklet av studieforfatterne Birbaumer og hans mangeårige samarbeidspartner Dr. Ujwal Chaudhary, arbeidet systemet på et binært "ja" eller "nei."

I løpet av et år sviktet kommunikasjonen nok en gang. I påvente av sin skjebne for total låsing, undgikk mannen – etter avtale med sin kone og søster – øynene helt. I stedet valgte de hjerneimplantater for å ta direkte inn i nevrale signaler hans.

En lang vei fortsatt

I juni 2018, bare tre år etter diagnosen hans, fikk mannen implantert to mikroarray-elektroder i sin motoriske cortex. Hvert implantat inneholdt 64 kanaler for å lytte til hjernens aktivitet som en måte å dekode og kommunisere med omverdenen.

Det er ikke en ny idé. En studie i 2016 brukte hjerneimplantater – totalt 16 elektroder – i en kvinne for å kontrollere skrivingen ved å forestille seg bevegelser i hånden hennes. I motsetning til den nåværende pasienten var hun fortsatt i stand til å blunke med øynene, noe som gjorde saken hennes annerledes. "Vi vet virkelig ikke om kommunikasjon, selv fra hjernesignaler, fortsatt er mulig når all muskelkontroll svikter," sa studieforfatterne.

Nesten umiddelbart traff de en vegg. En dag etter implantasjonen, mens pasienten fortsatt kunne bevege øynene, ba teamet ham stole på familiens tidligere strategi om å kommunisere "ja" eller "nei" mens han overvåket hjernesignalene hans. Dessverre var signalene alt for svake. Å be pasienten om å forestille seg hånd-, tunge- eller fotbevegelser – alle triks fra tidligere arbeid – klarte heller ikke å generere nevrale signaler som var i stand til å avkode intensjonene hans.

Nesten tre frustrerende måneder senere endret laget strategi. De benyttet seg av nevrofeedback, en metode som lar noen endre hjernesignalene sine med tilbakemeldinger i sanntid på om de har lykkes. Det høres ut som akademisk-møter-new-age-meditasjon, og det er litt uvanlig som treningsparadigme. Men neurofeedback blir testet som en metode for selvkontroll av hjernefunksjoner for en rekke lidelser, inkludert angst, depresjon, søvnløshet, avhengighet og andre, med varierende grad av suksess.

Her brukte teamet auditiv nevrofeedback som en måte å bedre måle nevrale responser nær de implanterte elektrodene. De spilte først en tone, og ba mannen prøve å manipulere tonen enten høyere eller lavere i tonehøyde. Under panseret økte mannens nevrale avfyringer raskere eller langsommere avhengig av banen, og ga en kraftig grunnlinje.

hjerneimplantat — *Bilde Credit: Chaudhary et al., Nature*

Strategien fungerte. Pasienten var i stand til å flytte tonens tonehøyde på sitt første forsøk. I løpet av to uker kunne han matche tonen bare ved å konsentrere seg. Disse innledende testene tillot teamet å plukke ut svært responsive nevroner, og ved hjelp av dataene utviklet de en enkel strategi: ved å holde en tone høyt eller lavt, kunne han indikere "ja" eller "nei" først, og deretter individuelle bokstaver .

En lang vei fremover

Treningen var tøff. På hver øktdag startet teamet med 10 minutter med baselineopptak mens mannen hvilte.

"Det er hvordan vi kan kjøre programvaren vår for å bestemme skytehastigheten til forskjellige individuelle kanaler" for å se hvilke som er optimale for nevrofeedback, forklarte forfatterne. Samlet sett matchet mannen 80 prosent av tilbakemeldingene før de fortsatte til rettskrivningsøktene. I løpet av de tre første dagene var han i stand til å stave sine egne, sin kones og sønnens navn.

Men det er fortsatt en slitsom oppgave: selv med måneder med trening, kunne han kommunisere med omtrent ett tegn i minuttet, eller 131 tegn per dag. Og det er bare de forståelige. Dessverre, selv med trening var det ingen økning i hastighet.

Likevel omhyggelig som det er, er mannen i stand til å nå ut til omsorgsteamet og familien. En melding ba om å løfte hodet høyere når han hadde besøk. En annen ba om ingen skjorter, men sokker på for natten.

"Han ga til og med forslag for å forbedre staveevnen hans ved å stave "slå på ordgjenkjenning", sa forfatterne omtrent seks måneder etter implantasjonen. I løpet av et år sa han "Gutter, det fungerer så uanstrengt" til teamet, og ba kona om en god middag med "Gulasjsuppe og søt ertesuppe" i materøret.

Tiden var tragisk nok ikke på hans side. I løpet av de tre årene som har gått siden implantasjonen hans, ble kommunikasjonen langsommere og ble stadig mer full av feil, til et punkt av fullstendig uforståelig.

Hvorfor dette skjedde er fortsatt et mysterium, men eksperter tror det er sannsynlig på grunn av arrvev som dannes rundt elektrodene, som demper hjernens signaler. Selv om forfatterne ikke rapporterte om betennelse eller infeksjoner i implantatområdet, er det alltid en risiko.

Men som en banebryter skisserer studien en ny begynnelse for folk som er innelåst. Det er høy belønning med ekstremt høyt ansvar: mange pasienter på dette stadiet kan være på slutten av livet. Hvor trygge kan vi være på en teknologi som avkoder deres meninger om behandling og medisinske beslutninger? Hva skjer hvis hjerneimplantatet misforstår en tanke som involverer omsorgen deres? Og for sykdommer uten kur, på hvilket tidspunkt blir disse sinn-maskin-broene falskt håp for sine kjære når hjernen sakte forsvinner?

Foreløpig er ikke den spunky pasienten opptatt av alt dette. Med implantatet ba han sin fire år gamle sønn om å se Disneys Robin Hood, eller "heks og trollmann" på Amazon. "Jeg elsker den kule sønnen min," sa han med hjernen.

Bilde Credit: Wyss Center

Tidstempel: Mars 30, 2022