Hjärnimplantat tillåter inlåst man att översätta tankar till skrivna meningar

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

ALS (amyotrofisk lateralskleros) är förödande grym. När nervceller som kontrollerar rörelser långsamt dör ut, förlorar du förmågan att gå, tala och andas. Ditt sinne förblir skarpt, men du är helt låst, utan något sätt att kommunicera med omvärlden.

Det fick en 37-årig man erfara. Diagnosen vid 30, på bara 4 månader tappade han sin förmåga att tala och gå. På två år kunde han inte längre röra ögonen - hans enda sätt att kommunicera med sin fru och sin unge son. Han andades genom en ventilator och var helt förlamad, han var instängd i sitt sinne.

Fast besluten att bryta sig ut ur sitt fysiska fängelse anmälde sig mannen till ett mycket experimentellt förfarande. Två mikroelektroder implanterades kirurgiskt i hjärnområden som kontrollerar rörelser. Drygt 100 dagar efter operationen, och efter omfattande träning, kunde patienten använda sitt sinne för att stava sina tankar i hela meningar.

Hans första förfrågan? Ändra sin kroppsställning för att vara mer bekväm. Hans nästa? "Jag skulle vilja lyssna på albumet av Verktyget [ett band] högt", sedan "Nu en öl."

"Folk har verkligen tvivlat på om detta ens var genomförbart," sade Dr Mariska Vansteensel vid University Medical Center Utrecht, som inte var involverad i studien, att Vetenskap.

Om det replikeras, lovar systemet att återföra kommunikation till hundratusentals människor som är instängda i sina sinnen, vare sig det beror på ALS, stroke, cancer eller traumatiska hjärnskador. För närvarande är metoden fortfarande långt ifrån redo för klinisk användning. Bortsett från år av utbildning är proceduren mycket skräddarsydd för varje person, med en rejäl räkning på minst $500,000 XNUMX under de första två åren.

Fältet är också fast i kontrovers, med två av studiens författare indragen i en vetenskaplig oredlighetsskandal för deras tidigare arbete på inlåsta patienter. När det gäller det nya arbetet, sa hjärnimplantatexperten Dr. Natalie Mrachacz-Kersting vid universitetet i Freiburg, som inte var inblandad men är medveten om deras historia, "Jag skulle säga att det är en gedigen studie. "

Patienten kunde inte bry sig mindre. "Först vill jag tacka" Dr. Niels Birbaumer, huvudförfattaren till studien, sa han med sinne. Ett år senare, "min största önskan är en ny säng och att jag kommer med dig imorgon på grillning", sa han till sin familj.

Den långa vägen dit

Hjärnkirurgi är inte någons förstahandsval.

Efter sin diagnos kartlade mannen en spelplan som är bekant för alla familjer som kämpar mot ALS. I mitten fanns en ögonspårningsanordning som han kunde använda för att beskriva sina tankar. Men eftersom musklerna runt ögonen gradvis misslyckades kunde han inte längre fästa blicken, vilket gjorde spåraren värdelös. Familjen utvecklade sedan sitt eget penna-och-papper-system så att de kunde spåra enkla tankar baserat på hans ögonrörelser. Det var rudimentärt: alla observerbara ögonrörelser anses vara ett "ja", annars antar de "nej".

Patienten insåg att han snart kan förlora all kontroll över ögonen och började sin resa för att kommunicera enbart genom hjärnans elektriska signaler. Med uppkomsten av allt kraftfullare programvara och biokompatibla hjärnimplantat, kopplar hjärnan till datorer– och att kringgå neurala skador – exploderar till en mycket kraftfull, om än experimentell, strategi för att bekämpa förlamning.

Från och med en icke-invasiv installation, försågs han med elektroder på ytan av hans skalle för att fånga hans hjärnas breda elektriska mönster. Eftersom skallen sprider signaler och tar in brus, mätte systemet också elektriska signaler över ögat som en separat datakälla. Utvecklad av studieförfattarna Birbaumer och hans långvariga medarbetare Dr. Ujwal Chaudhary, arbetade systemet på ett binärt "ja" eller "nej".

Inom ett år misslyckades kommunikationen ännu en gång. I förutseende av sitt öde för total inlåsning undvek mannen – i samförstånd med sin fru och syster – ögonen helt och hållet. Istället valde de hjärnimplantat för att direkt utnyttja hans neurala signaler.

En lång väg fortfarande

I juni 2018, bara tre år efter sin diagnos, fick mannen två mikroarrayelektroder implanterade i sin motoriska cortex. Varje implantat innehöll 64 kanaler för att lyssna på hans hjärnas aktivitet som ett sätt att avkoda och kommunicera med omvärlden.

Det är ingen ny idé. En studie 2016 använde hjärnimplantat – totalt 16 elektroder – hos en kvinna för att kontrollera skrivningen genom att föreställa sig rörelser i hennes hand. Till skillnad från den nuvarande patienten var hon fortfarande kapabel att blinka med ögonen, vilket gjorde hennes fall annorlunda. "Vi vet verkligen inte om kommunikation, även från hjärnans signaler, fortfarande är möjlig när all muskelkontroll misslyckas", sa studieförfattarna.

Nästan direkt träffade de en vägg. En dag efter implantatet, medan patienten fortfarande kunde röra ögonen, bad teamet honom att förlita sig på familjens tidigare strategi att kommunicera "ja" eller "nej" medan de övervakade hans hjärnsignaler. Tyvärr var signalerna alldeles för svaga. Att be patienten att föreställa sig hand-, tung- eller fotrörelser – alla tricks från tidigare arbete – misslyckades med att generera neurala signaler som kunde avkoda hans avsikter.

Nästan tre frustrerande månader senare ändrade laget sin strategi. De utnyttjade neurofeedback, en metod som gör att någon kan modifiera sina hjärnsignaler med feedback i realtid om huruvida de har lyckats. Det låter som akademisk-möter-new-age-meditation, och det är lite ovanligt som träningsparadigm. Men neurofeedback håller på att testas som en metod för självkontroll av hjärnfunktioner för en mängd olika störningar, inklusive ångest, depression, sömnlöshet, missbruk och andra, med varierande framgångsnivåer.

Här använde teamet auditiv neurofeedback som ett sätt att bättre mäta neurala svar nära de implanterade elektroderna. De spelade först en ton och bad mannen att försöka manipulera tonen antingen högre eller lägre i tonhöjd. Under huven spetsade mannens nervskott snabbare eller långsammare beroende på tonhöjd, vilket gav en kraftfull baslinje.

hjärnimplantat — *Image Credit: Chaudhary et al, Nature*

Strategin fungerade. Patienten kunde flytta tonens tonhöjd på sitt första försök. Inom två veckor kunde han matcha tonen bara genom att koncentrera sig. Dessa första tester gjorde det möjligt för teamet att plocka ut mycket känsliga neuroner, och med hjälp av data tog de fram en enkel strategi: genom att hålla en ton hög eller låg kunde han först indikera "ja" eller "nej" och därefter enskilda bokstäver .

En lång väg framåt

Träningen var tuff. På varje sessionsdag började teamet med 10 minuters baslinjeinspelningar medan mannen vilade.

"Det är så vi kan köra vårt program för att bestämma avfyringshastigheten för olika individuella kanaler" för att se vilka som är optimala för neurofeedback, förklarade författarna. Totalt sett matchade mannen 80 procent av feedbacken innan de fortsatte till stavningssessioner. Inom de första tre dagarna kunde han stava sina egna, sin frus och sin sons namn.

Men det är fortfarande en ansträngande uppgift: även med månader av träning kunde han kommunicera med ungefär en karaktär per minut, eller 131 tecken per dag. Och det är bara de begripliga. Tyvärr blev det ingen ökning av hastigheten även med träning.

Men hur noggrant det än är kan mannen nå ut till sitt vårdteam och sin familj. Ett meddelande bad om att lyfta huvudet högre när han hade besök. En annan bad om inga skjortor, men strumpor på för natten.

"Han gav till och med förslag för att förbättra sin stavningsprestanda genom att stava "slå på ordigenkänning", sa författarna ungefär sex månader efter implantationen. Inom ett år sa han "Pojkar, det fungerar så enkelt" till teamet och bad sin fru om en god middag med "Gulaschsoppa och sötärtssoppa" i hans matningsrör.

Tiden var tragiskt nog inte på hans sida. Under de tre åren sedan hans implantation saktades kommunikationen ner och blev alltmer full av fel, till en punkt av fullständig obegriplighet.

Varför detta hände är fortfarande ett mysterium, men experter tror att det troligen beror på att det bildas ärrvävnad runt elektroderna, som dämpar hjärnans signaler. Även om författarna inte rapporterade några inflammationer eller infektioner i implantatområdet, är det alltid en risk.

Men som en banbrytare skisserar studien en ny början för människor som är inlåsta. Det är hög belöning med extremt stort ansvar: många patienter i detta skede kan vara i slutet av sina liv. Hur säkra kan vi vara i en teknik som avkodar deras åsikter om behandling och medicinska beslut? Vad händer om hjärnimplantatet misstolkar en tanke som involverar deras vård? Och för sjukdomar utan botemedel, vid vilken tidpunkt blir dessa sinnesmaskinsbroar falskt hopp för nära och kära när hjärnan sakta försvinner?

För tillfället bryr sig inte den pigga patienten om allt detta. Med implantatet bad han sin fyraårige son att titta på Disneys Robin Hood, eller "häxa och trollkarl" på Amazon. "Jag älskar min coola son," sa han med sin hjärna.

Image Credit: Wyss Center

Tidsstämpel: Mars 30, 2022