Парализованный человек научился снова ходить с помощью нейроинтерфейса

Исследователи восстановили связь между головным и спинным мозгом после повреждения с помощью специального нейроинтерфейса. Мужчина, который 12 лет назад попал в аварию на мотоцикле и остался парализованным, теперь может ходить, подниматься по лестнице и выполнять повседневные дела благодаря компьютерным имплантатам в мозг и спинной мозг.

В 2011 году  40-летний голландец Герт-Ян Оскам  (Gert-Jan Oskam) жил в Китае и попал в аварию на мотоцикле, в результате которой он был парализован ниже пояса. Он потерял контроль над ногами и большей частью рук. Врачи сказали ему, что он никогда больше не сможет ходить.

Теперь с помощью комбинации устройств ученые вернули ему контроль над нижней частью тела.

Повреждение спинного мозга нарушает связь между головным мозгом и той частью спинного мозга, которая отвечает за ходьбу, что приводит к параличу. Ученые восстановили эту связь с помощью цифрового моста между головным мозгом и спинным мозгом, что позволило человеку с хронической тетраплегией (параличом нижних конечностей) свободно стоять и ходить в общественных местах. Этот интерфейс «мозг — позвоночник» (BSI - brain-spine interface) состоит из полностью имплантированных систем записи и стимуляции, которые устанавливают прямую связь между сигналами коры головного мозга и аналоговой модуляцией эпидуральной электростимуляции, воздействующей на области спинного мозга, участвующие в ходьбе. Высоконадежный BSI калибруется в течение нескольких минут. Эта надежность оставалась стабильной в течение года, в том числе при самостоятельном использовании дома. Господин Оскам сообщил, что BSI позволяет естественным образом контролировать движения ног, чтобы стоять, ходить, подниматься по лестнице и даже преодолевать сложные участки местности. Более того, нейрореабилитация с помощью BSI улучшила неврологическое восстановление. Оскам восстановил способность ходить с костылями по земле даже при выключенном BSI. Этот цифровой мост создает основу для восстановления естественного контроля над движениями после паралича.

a, Два кортикальных имплантата, состоящих из 64 электродов, устанавливаются эпидурально над сенсомоторной корой для сбора сигналов ЭКоГ (Электрокортикография)

. Блок обработки данных прогнозирует двигательные намерения и преобразует эти прогнозы в модуляцию программ эпидуральной электростимуляции, нацеленных на зоны входа дорсальных корешков пояснично-крестцового отдела спинного мозга. Стимуляция осуществляется с помощью имплантируемого генератора импульсов, подключенного к 16-электродному электроду. b, Изображения, демонстрирующие предоперационное планирование расположения кортикальных имплантатов и послеоперационное подтверждение. L — левая; R — правая. c — персонализированная вычислительная модель, прогнозирующая оптимальную локализацию проводника для воздействия на зоны входа дорсальных корешков, связанные с мышцами нижних конечностей, и послеоперационное подтверждение.

— В течение 12 лет я пытался встать на ноги, — сказал г-н Оскам на брифинге для прессы. — Теперь я научился нормально, естественно ходить.

В исследовании, опубликованном журнале Nature, швейцарские ученые описали имплантаты, которые обеспечили «цифровой мост» между мозгом мистера Оскамы и его спинным мозгом, минуя поврежденные участки. Это открытие позволило мистеру Оскаме стоять, ходить и подниматься по крутому склону только с помощью ходунков. Более чем через год после установки имплантата он сохранил эти способности и даже продемонстрировал признаки неврологического восстановления, ходя на костылях, даже когда имплантат был выключен.

—   Мы уловили мысли Герта-Яна и преобразовали их в стимуляцию спинного мозга, чтобы восстановить произвольные движения», — сказал Грегуар Куртин (Grégoire Courtine) специалист по спинному мозгу из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне, который помогал руководить исследованием, на брифинге для прессы.

Джоселин Блоч (Jocelyne Bloch), нейробиолог из Лозаннского университета, которая вживила имплантат мистеру Оскаму, добавила: — Сначала для меня это было похоже на научную фантастику, но сегодня это стало реальностью.

В последние десятилетия в области лечения травм спинного мозга был достигнут ряд технологических прорывов. В 2016 году группа ученых под руководством доктора Куртина смогла восстановить способность ходить у парализованных обезьян, а другая группа помогла мужчине восстановить контроль над парализованной рукой. В 2018 году другая группа ученых, также возглавляемая доктором Куртином, разработала способ стимулировать мозг с помощью генераторов электрических импульсов, что позволило частично парализованным людям снова ходить и ездить на велосипеде. В прошлом году более продвинутые процедуры стимуляции мозга позволили парализованным людям плавать, ходить и ездить на велосипеде в течение одного дня лечения.

В предыдущие годы мистер Оскам проходил процедуры стимуляции и даже частично восстановил способность ходить, но, в конце концов, его состояние стабилизировалось. На брифинге для прессы мистер Оскам сказал, что из-за этих технологий стимуляции он чувствовал, что в его передвижении есть что-то чужеродное, что-то постороннее между его разумом и телом. Новый интерфейс изменил это. — Раньше стимуляция контролировала меня, а теперь я контролирую стимуляцию.

В новом исследовании интерфейс «мозг-позвоночник», как его назвали исследователи, использовался декодер мыслей на основе искусственного интеллекта, чтобы считывать намерения мистера Оскама,  которые можно обнаружить в виде электрических сигналов в его мозге, и сопоставлять их с движениями мышц. Этиология естественного движения от мысли к намерению и действию была сохранена. Единственным дополнением, как описал его доктор Куртин, был цифровой мост, соединяющий поврежденные части позвоночника.

Эндрю Джексон (Andrew Jackson), нейробиолог из Университета Ньюкасла, который не принимал участия в исследовании, сказал: — Это поднимает интересные вопросы об автономности и источнике команд. Вы продолжаете стирать философскую границу между тем, что является мозгом, и тем, что является технологией.

Доктор Джексон добавил, что ученые в этой области десятилетиями выдвигали теории о подключении мозга к стимуляторам спинного мозга, но это был первый случай, когда они добились такого успеха на человеке. — Легко сказать, но гораздо сложнее сделать, — сказал он.

Чтобы добиться такого результата, исследователи сначала вживили электроды в череп и позвоночник мистеру Оскаме. Затем команда использовала программу машинного обучения, чтобы наблюдать, какие части мозга активируются, когда он пытается двигать разными частями тела. Этот декодер мыслей смог сопоставить активность определенных электродов с конкретными намерениями: одна конфигурация активировалась, когда мистер Оскам пытался двигать лодыжками, другая — когда он пытался двигать бедрами.

Затем исследователи использовали другой алгоритм для подключения мозгового имплантата к спинномозговому имплантату, который был настроен на отправку электрических сигналов в различные части его тела, вызывая движение. Алгоритм смог учесть незначительные изменения в направлении и скорости каждого мышечного сокращения и расслабления. И поскольку сигналы между мозгом и позвоночником посылались каждые 300 миллисекунд, мистер Оскам мог быстро скорректировать свою стратегию, основываясь на том, что работало, а что нет. Во время первого сеанса лечения он смог скрутить мышцы бедра.

В течение следующих нескольких месяцев исследователи дорабатывали интерфейс «мозг-позвоночник», чтобы он лучше подходил для выполнения базовых действий, таких как ходьба и стояние. У мистера Оскамы появилась более здоровая походка, и он смог относительно легко подниматься по ступенькам и пандусам даже после нескольких месяцев без лечения. Более того, после года лечения он начал замечать явные улучшения в своих движениях без помощи интерфейса «мозг-позвоночник». Исследователи задокументировали эти улучшения в тестах на равновесие, устойчивость и ходьбу.

Теперь мистер Оскам может передвигаться по дому, садиться в машину и выходить из нее, а также стоять в баре и заказывать напитки. По его словам, впервые он чувствует, что все под контролем.

Исследователи признали, что в их работе есть ограничения. Тонкие механизмы в мозге трудно различить, и хотя существующий интерфейс между мозгом и спинным мозгом подходит для ходьбы, то же самое, вероятно, нельзя сказать о восстановлении движений верхней части тела. Лечение также является инвазивным и требует нескольких операций и многочасовой физиотерапии. Существующая система не устраняет все виды паралича спинного мозга.

Но команда исследователей надеялась, что дальнейшие разработки сделают лечение более доступным и систематическим. — Это наша истинная цель,   сказал доктор Куртин, — сделать эту технологию доступной во всём мире для всех нуждающихся в ней пациентов.

Куртин с оптимизмом смотрит на то, что случай Оскама и новая технология помогут многим другим людям снова ходить. — Нет никаких причин, по которым это не могло бы относиться к подавляющему большинству людей с травмами спинного мозга», — сказал он.

Источник: Nature 24.05.2023