Intrakortikalinė mikrostimuliacija: ilgalaikiai pojūčiai

Įsivaizduokite užmerktas akis ir pajaučiate audinio tekstūrą, kurios jūsų ranka nebejaučia. Tai mažas, bet gilus pažadas, kurį skatina šie tyrimai: nukreipta elektros srovė į konkrečią smegenų žievės sritį gali iš naujo sukurti lokalizuotus rankos pojūčius žmonėms, turintiems nugaros smegenų sužalojimų.

Dešimtmetis signalų jutimo pojūčiui

Pitsburgo universiteto ir Čikagos universiteto mokslininkai praneša apie ilgiausią iki šiol žmonėse atliktą intrakortikalinio mikrostimuliavimo tyrimą, rodantį, kad dirbtinis prisilietimas, tiekiamas tiesiogiai į jutiminę smegenų žievę, gali būti saugus ir stebėtinai stabilus per daugelį metų. Penki savanoriai su lėtiniais nugaros smegenų sužalojimais gavo implantuotus smegenų ir kompiuterio sąsajos įtaisus. Iš viso implantai veikė 27 metus ir į smegenis pristatė maždaug 168 milijonus elektros impulsų, nebuvo užfiksuota rimtų nepageidaujamų reiškinių.

Kodėl tai svarbu? Nes pojūtis nėra prabangos dalykas. Būtent per jį vertiname slėgį, jūtame slydimą, prisitaikome prie suėmimo jėgos ir sąveikaujame su daiktais, nežiūrėdami į juos. Modernios neuroprotezės galūnės gali būti valdomos iššifruojant motorinius signalus iš smegenų. Tačiau be grįžtamojo ryšio valdymas būna lėtas ir protui reikalaujantis. Siunčiant taktilinius signalus atgal į smegenis uždaromas šis valdymo ciklas.

Šis tyrimas, paskelbtas žurnale Science Translational Medicine, uždavė praktinius ilgalaikius klausimus, kurių trumpi laboratoriniai bandymai negali atsakyti: ar pojūčiai laikui bėgant nenuklysta į netinkamas kūno sritis? Ar pasikartojantys impulsai gali pakenkti? Ar po metų perceptai išblėsta ar keičia charakterį?

Stabilūs pojūčiai, reti šalutiniai poveikiai

Atsakymas, apskritai, yra palankus. Impulsai, orientuoti į rankos reprezentaciją jutiminėje žievėje, nuosekliai sukeldavo rankai būdingus pojūčius net po daugelio metų stimuliacijos. Pojūčiai nesikėlė sistemingai į nesusijusias kūno dalis. Užsitęsusios pojūčio būsenos, kai pojūtis išlikdavo ir po stimuliacijos pabaigos, buvo retos: vidutiniškai apie vienas atvejis per 23 000 stimulio bandymų. Kai jos pasitaikydavo, dauguma išblėsdavo per 10 sekundžių. Nebuvo pranešimų apie skausmą, reikalaujantį gydymo.

Tokie rezultatai svarbūs klinikinei taikčiai. Kaip teigė Robert Gaunt, vyriausiasis autorius ir Pitsburgo universiteto docentas, šie tyrimai "padeda įtvirtinti saugumo ir naudingumo aplinkybes, leidžiančias naudoti smegenų ir kompiuterio sąsajas jutiminiams stimului tiekti klinikinėse sąlygose ir galbūt ateityje žmonių namuose." Kad pagalbinės priemonės iš tikrųjų pakeistų gyvenimą, jos turi veikti patikimai metų metais, o ne tik per laboratorinį vizitą.

Kur technologija susiduria su sunkumais

Nėra technologijos be ribų. Pagrindinis pastebėtas iššūkis buvo elektrodų ilgaamžiškumas. Tarp dalyvių apie 64 procentai įkomplektuotų elektrodų išliko funkciniai per laiką. Vienam asmeniui po 10 metų vis dar veikė 60 procentų elektrodų, nors vėliau tyrimo metu jų funkcionalumo mažėjimas pagreitėjo. Išlaikyti patikimas ir aukštos kokybės neuralines sąsajas yra inžinerijos butelio kakliukas, jei šios sistemos turi virsti ilgalaikiais sprendimais, naudojamais namuose.

Vyriausiasis autorius Charles Greenspon iš Čikagos universiteto pabrėžė, kad duomenys perkelia šią sritį nuo ankstyvo įrodomumo etapo prie inžinerijos ir pramonės plėtros. Jei įrenginiai taps atsparesni, kompanijos galės sukurti ilgalaikes neuroprotezines sistemas, skirtas namų naudojimui žmonėms su paralyžiumi.

Platesnis kontekstas ir tolesni žingsniai

Šie darbai remiasi daugiau nei dešimtmečio pažanga. 2012 metais komandos pradėjo implantaciją motorinėje žievėje, kad paralyžiuotas asmuo galėtų valdyti robotinę ranką. Iki 2015 metų jutiminės žievės stimuliacija jau buvo panaudota prisilietimo pojūčiui suteikti. Čikagos universitetas 2020 metais implantavo dalyvį tiek motoriniais, tiek jutiminiais elektrodais, leista tuo pačiu metu tirti valdymą ir grįžtamąjį ryšį.

Tyrėjai taip pat tiria mikrostimuliaciją smegenų srityse, susijusiose su rega ir klausa. Kitaip tariant, ta pati pagrindinė prieiga teoriškai galėtų būti pritaikyta keliems pojūčiams atkurti. Tačiau kiekviena sistema turi savo kliūtis: elektrodų dizainas, maitinimas ir pakuotė ilgalaikiams implantams bei reikšmingų kasdienių naudos įrodymas.

Ekspertų įžvalga

"Šis tyrimas pateikia retus ilgalaikius žmogaus duomenis, kurių reikia inžinieriams ir klinikams," sakė dr. Elena Morales, neuroinžinerijos tyrėja, nedalyvavusi darbe. "Jis parodo, kad smegenys gali priimti ir interpretuoti dirbtinį taktilinį įėjimą metų metus, bet taip pat primena, kad medžiagų mokslas ir sąsajų patvarumas yra artimiausi iššūkiai. Šių problemų sprendimas nulems skirtumą tarp laboratorinės demonstracijos ir kasdienio klinikinio įrenginio."

Išvada

Tyrimas įrodo, kad intrakortikalinė mikrostimuliacija gali sukelti saugius, kartojamus rankos pojūčius daug metų žmonėms su nugaros smegenų sužalojimais. Jutiminiai perceptai išlieka lokalizuoti ir daugiausia stabilūs. Skubus inžinerinis uždavinys yra pagerinti elektrodų ilgaamžiškumą ir įrenginių patikimumą. Jei šie iššūkiai bus įveikti, su jutiminiu grįžtamuoju ryšiu suderintos smegenų ir kompiuterio sąsajos galėtų padaryti neuroprotezines galūnes daug natūralesnes naudoti ir galėtų išplėsti pagalbą atkuriant kitus prarastus pojūčius.