Hjärnimplantat ger anmärkningsvärd återhämtning hos patienter med svår hjärnskada

Hjärnimplantat ger anmärkningsvärd återhämtning hos patienter med svår hjärnskada

Tidsstämpel: 4 december 2023 5:15
Hjärnimplantat ger anmärkningsvärd återhämtning hos patienter med svår hjärnskada PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikal sökning. Ai.

Vid 21-årsåldern vändes en ung kvinnas liv upp och ner efter att ha fått ett slag i huvudet och en svår hjärnskada under en förödande trafikolycka.

Hon har levt med konsekvenserna sedan dess, kämpat för att fokusera tillräckligt länge för att utföra enkla vardagliga uppgifter. Att jonglera med flera sysslor var nästan omöjligt. Hennes minne skulle glida. Ord skulle fastna på tungspetsen. Hennes kropp verkade ha ett eget sinne. Ständigt i rörelse var det svårt att sitta still. Depression och ångest grumlade hennes sinne.

Arton år senare genomgick hon en operation som återigen förändrade hennes liv. Efter att noggrant kartlagt hennes hjärna implanterade kirurger elektroder djupt in i thalamus. Gjord av två lökformiga strukturer - en på varje halvklot - thalamus är hjärnans stora centralstation, dess förbindelser sträcker sig långt och brett över flera regioner. En stimulator, implanterad nära hennes nyckelben, aktiverade automatiskt neurala implantatet i 12 timmar om dagen.

Resultaten var slående. På bara tre månader förbättrades hennes poäng på ett standardtest som mätte otaliga kognitiva funktioner. För första gången på decennier kände hon sig inte längre överväldigad under hela dagen. Hon började älska läsning och andra hobbyer.

"Jag bara - jag vill tänka," sa hon till forskarna. "Jag använder mitt sinne ... jag vet inte varför, det får mig bara att skratta, men det är fantastiskt för mig att jag tycker om att göra dessa saker."

Kvinnan, känd som P1, deltog i en liten, ambitiös rättegång försöker vända kognitiva problem från hjärnskador. Leds av Dr Jaimie Henderson vid Stanford University, den kliniska prövningen rekryterade sex personer för att se om elektrisk stimulering av thalamus återställde deltagarnas förmåga att logiskt resonera, göra planer och fokusera på en given uppgift.

I genomsnitt förbättrades fem av deltagarnas poäng med upp till 52 procent, vilket överträffade lagets blygsamma mål med över fem gånger. Eftersom stimuleringen är automatisk, gick de frivilliga i vardagen medan implantatet arbetade med sina terapeutiska effekter under huven.

Fördelarna var märkbara. En deltagare sa att han äntligen kunde koncentrera sig på tv-program, medan han tidigare kämpade på grund av kort uppmärksamhet. En annan sa att han nu kunde spåra flera aktiviteter och byta uppmärksamhet – som att hålla igång en konversation samtidigt som han lägger matvaror.

Samtidigt som den är lovande kräver behandlingen hjärnkirurgi, vilket kan vara riskabelt. En deltagare drog sig ur halvvägs på grund av infektion. Men för dem som tolererade terapin har det varit en livsförändrande inte bara för dem, utan för deras familjer.

"Jag fick tillbaka min dotter. Det är ett mirakel”, sa en medlem i P1:s familj.

Tunnling djupt

Djup hjärnstimulering, kärnan i terapin, har en lång historia.

Tanken är enkel. Hjärnan är beroende av flera kretsar som arbetar tillsammans. Dessa anslutningar kan gå sönder på grund av sjukdom eller skada, vilket gör det omöjligt för elektriska signaler att koordinera och forma tankar eller beslut.

En lösning är att överbrygga brutna hjärnnätverk med ett neuralt implantat. Tack vare sofistikerade implantat och AI kan vi nu utnyttja hjärnans och ryggmärgens elektriska prat, avkoda deras avsikt och använda denna "neurala kod" för att driva robotarmar eller tillåta förlamade människor att gå igen.

Även om de är kraftfulla sitter dessa implantat ofta på det yttre lagret av hjärnan eller runt nerver i ryggmärgen som är relativt lätta att komma åt.

Djup hjärnstimulering utgör en utmaning eftersom den riktar sig till regioner begravda inuti hjärnan. Tekniken uppfanns på 1980-talet för att behandla motoriska symtom vid Parkinsons sjukdom och har sedan dess använts att bekämpa depression, med bara några få drag som lindrar symtomen hos svårt deprimerade.

Den nya studien byggde på dessa resultat. Personer med långvarig traumatisk hjärnskada kämpar ofta med humör och uppmärksamhet, vilket gör det svårt att balansera flera uppgifter utan huvudvärk och trötthet. De kämpar också för att sitta still.

Dessa funktioner styrs av olika delar av hjärnan. Men en kritisk länk är thalamus, ett nav som förbinder regioner som stödjer uppmärksamhet, humör och rörelse. Talamus består av två vitlöksformade lökar, var och en inbäddad i hjärnans hemisfärer, som koordinerar signaler från hela hjärnan. En stor sensorisk relästation, den har kallats "porten till medvetande."

Tidigare studier på möss pekade ut en del av thalamus som ett potentiellt terapeutiskt nav för traumatisk hjärnskada. Andra studier fann det att stimulera regionen var säkert hos personer med minimalt medvetande och hjälpte dem att återhämta sig. Det är den region som den nya studien riktar sig till.

Zappa iväg

Teamet minskade över 400 frivilliga till bara sex – fyra män, två kvinnor med måttliga till svåra traumatiska hjärnskador. Före operationen fick de flera tester för att mäta deras kognitiva förmågor, humör och allmänna syn på livet.

Varje deltagare hade en kommersiellt tillgänglig neurostimulator implanteras i deras talamus i båda hjärnhalvorna. För att fånga potentiella tidiga effekter efter implantation tilldelades de tre grupper baserat på hur snart implantatet slogs på efter operationen.

Deltagarna experimenterade med olika zappmönster under två veckor. Som att scrolla igenom Spotify-spellistor, hittade var och en så småningom ett mönster som var optimerat för deras neurala makeup: Stimuleringens timing och intensitet gjorde det möjligt för dem att tänka klarare och må bättre, med minimala biverkningar. Implantatet stimulerade sedan deras talamus 12 timmar om dagen i tre månader.

Resultaten var imponerande. Totalt sett förbättrades deltagarna mellan 15 och 52 procent mätt med samma kognitiva test som användes för deras baslinje. Två patienter, inklusive P1, förbättrades så mycket att de inte längre uppfyllde diagnosen lägre måttlig funktionsnedsättning. Denna ökning av mental kapacitet tyder på att deltagarna kan ta itu med arbetet och återknyta kontakten med vänner och familj med minimal kamp, ​​skrev teamet i studien.

Ett annat test stoppade stimuleringen hos en handfull deltagare i nästan en månad. Varken forskarna eller deltagarna visste från början vems implantat som stängdes av. Inom några veckor märkte två patienter att de mådde mycket sämre och drog sig ur testet. Av de tre kvarvarande personerna förbättrades två – och en blev sämre – med stimulatorn på. Ytterligare undersökningar visade att implantatet felaktigt zappade i den icke-reagerande patientens hjärna när det borde ha stängts av.

Även om det fanns minimala biverkningar, störde behandlingen inte deltagarens liv. Zappningen orsakade en del konstigheter i käkmuskulaturen hos ett fåtal personer. P1, till exempel, fann att hon sluddrade sina ord när hon hade den högsta stimuleringsintensiteten. En annan person hade problem med att hålla sig stilla och några upplevde humörsvängningar.

Studien är fortfarande tidig och många frågor är fortfarande obesvarade. Fungerar till exempel behandlingen oavsett var hjärnan skadades? Volontärerna testades bara i tre månader efter operationen, vilket innebär att förbättringar på längre sikt, om några, förblir ett mysterium. Som sagt, flera deltagare skrev på för att behålla sina implantat och delta i framtida studier.

Även med dessa varningar var deltagarna och deras nära och kära tacksamma. "Det är så djupt för oss", sa P1:s familjemedlem. "Jag skulle aldrig ha trott det. Det är bortom mina förhoppningar, bortom förväntan. Någon tände ljuset igen."

Image Credit: National Institute of Mental Health, National Institutes of Health

Tidsstämpel:

Mer från Singularity Hub