Роботизированная система с четырьмя конечностями, управляемая сигналами мозга, помогла человеку с тетраплегией двигать руками и ходить, используя подвесные ремни безопасности для равновесия. Хотя первые результаты обнадеживают, авторы отмечают, что система далека от клинического применения и потребует улучшений, прежде чем она станет широко доступной.
Экзоскелет всего тела, управляемый путем записи и декодирования сигналов мозга, помог пациенту с тетраплегией двигать всеми четырьмя парализованными конечностями, согласно результатам двухлетнего исследования, опубликованного в журнале The Lancet Neurology.
В ходе исследования была успешно проведена апробация четырехлинейной роботизированной системы, и авторы говорят, что, как только станут доступны некоторые необходимые существенные улучшения, они могут иметь потенциал для улучшения качества жизни пациентов и их автономии, но на данный момент это экспериментальное лечение, которое далеко не клиническое применение.
"Наша первая полуинвазивная беспроводная система мозг-компьютер, предназначенная для длительного использования, чтобы активировать все четыре конечности," говорит профессор Алим-Луи Бенабид, президент исполнительного совета Clinatec, лаборатории CEA, и почетный профессор Университета Гренобля, Франция. "В предыдущих исследованиях мозг-компьютер использовались более инвазивные записывающие устройства, имплантированные под самую внешнюю мембрану мозга, где они в конечном итоге перестали работать. Они также были подключены к проводам, ограничивая движение только одной конечностью, или были сосредоточены на восстановлении движения собственных мышц пациента."
При травме шейного отдела спинного мозга, наиболее тяжелой из травм спинного мозга, около 20% пациентов остаются с тетраплегией, при этом все четыре конечности частично или полностью парализованы. 28-летний пациент, участвовавший в новом исследовании, был парализован от плеч до нижнего отдела, при этом двигались лишь бицепсы и левое запястье. Он мог управлять инвалидной коляской с помощью джойстика, управляемого левой рукой.
Два записывающих устройства были имплантированы, по одному с каждой стороны его головы между мозгом и кожей, чтобы охватить сенсомоторную кору (область мозга, которая контролирует ощущения и двигательные функции). Каждый регистратор содержал сетку из 64 электродов, которые собирали сигналы мозга и затем передавали их алгоритму декодирования. Эта система преобразовывала сигналы мозга в движения, о которых думал пациент, и отправляла команды экзоскелету для их выполнения.
Ранее в исследование был включен другой пациент, но он был исключен из-за технической проблемы с имплантатами головного мозга (имплантаты перестали взаимодействовать с алгоритмом и были удалены).
В течение 24 месяцев исследования оставшийся пациент выполнял различные умственные задачи, чтобы научить алгоритм понимать его мысли и постепенно увеличивать количество движений, которые он мог сделать. Это включало управление виртуальным аватаром, чтобы играть в видеоигру (он играл в игру, похожую на Pong), достигать целей с помощью аватара и экзоскелета и ходить.
Прогресс пациента измерялся с точки зрения того, сколько степеней свободы он смог достичь во время выполнения задач, от управления переключателем с мозгом для начала ходьбы до прикосновения к двумерным и трехмерным объектам. Экзоскелет имел 14 суставов и 14 степеней свободы (он мог двигаться 14 различными способами). В общей сложности он провел 45 дней, управляя экзоскелетом в лаборатории, и приобретенные им навыки были закреплены за 95 дней, проведенных дома с исследователем, тренирующимся с использованием аватара и видеоигры.
Простейшие задачи заключались в том, чтобы включить мозговой выключатель, чтобы начать прогулку в видеоигре, в которой он сделал шаг аватара, и заставить экзоскелет начать ходить, будучи привязанным к подвесной привязи. Его успех измерялся тем, сколько раз ему удавалось активировать переключатель. Через два месяца после операции он был успешным в 73% случаев в течение шести сеансов с использованием экзоскелета. Используя аватар, видеоигру и экзоскелет вместе, он преодолел в общей сложности 145 метров с 480 шагами за 39 сессий.
"Наш пациент уже считает, что его быстро растущая протезная подвижность является полезным, но его прогресс не изменил его клинический статус," говорит профессор Бенабид.
Используя как аватар, так и экзоскелет для более сложных задач, он перешел от достижения целей на кубах одной рукой (перемещение в трех измерениях) через пять месяцев после операции к использованию обеих рук для касания целей на кубах через 16 месяцев после операции. хирургия (движение в восьми измерениях, включая вращение обоих запястий). Он выполнил пять восьмимерных заданий с успешностью 71%.
"Разработаны инновационные адаптивные алгоритмы на основе методов искусственного интеллекта (машинного обучения) для декодирования большого количества степеней свободы. Исключительное качество собранных нейронных сигналов позволило стабильно и надежно декодировать," говорит доктор. Татьяна Аксенова, директор по исследованиям в области обработки сигналов BCI из Университета Гренобля, Франция.
За 24 месяца испытания система не нуждалась в перекалибровке в течение семи недель, что свидетельствует о том, что она может быть пригодна для повседневного использования в течение длительного периода. Качество записи с имплантатов оставалось стабильным, алгоритм продолжал декодировать сигналы, и у пациента не было послеоперационных осложнений.
"Наши результаты могут приблизить нас к тому, чтобы помочь пациентам с тетраплегией управлять компьютером, используя только сигналы мозга, возможно, начиная с вождения инвалидных колясок, используя мозговую активность вместо джойстиков, и продвигаясь к разработке экзоскелета для повышения мобильности," говорит профессор Стефан Шабардес, нейрохирург из CHU Гренобль-Альпы, Франция.
Были набраны еще три пациента, и исследование продолжается. Следующая цель исследователей – решить проблему, позволяющую пациенту самостоятельно ходить и балансировать без использования потолочной подвесной системы.
Дальнейшие исследования также прольют больше света на функции мозга, предоставив больше информации о том, как сенсомоторная кора генерирует сигналы, необходимые для достижения реальных и виртуальных движений. Авторы обнаружили, что пациент мог выполнять задачи в среднем на 10-20% успешнее с помощью экзоскелета, чем с аватаром. Это может быть связано с тем, что обратная связь с аватаром носит чисто визуальный характер, тогда как с экзоскелетом пациент получает более богатую обратную связь с реальным миром.
В комментарии по ссылке профессор Том Шекспир из Лондонской школы гигиены и тропической медицины, Великобритания, говорит: "Оригинальность этого исследования заключается в демонстрации контроля четырех конечностей, тогда как в большинстве предыдущих исследований контролировалась только одна конечность. Однако автономная ходьба в равновесии пока невозможна. Хотя это исследование представляет собой долгожданный и захватывающий шаг вперед, мы должны помнить, что доказательство концепции находится далеко от пригодной для использования клинической возможности. В этой сфере всегда существует опасность ажиотажа. Даже если это когда-либо будет осуществимо, ограничения по стоимости означают, что высокотехнологичные решения никогда не будут доступны для большинства людей в мире с травмой спинного мозга. Один анализ показывает, что только 15% людей с ограниченными возможностями в мире имеют доступ к инвалидным коляскам или другим вспомогательным технологиям, в которых они нуждаются."