Był sparaliżowany i nie czuł własnych dłoni. Implanty połączyły jego mózg z ciałem

Spis treści:

1. Implanty mózgowe pomogły mu odzyskać ruch i czucie
2. Jak działa „podwójny bypass neuronalny”?
3. Czy implanty mózgowe mogą trwale przywrócić sprawność po paraliżu?
4. Neurotechnologia coraz bliżej pacjentów. Kiedy może wejść do klinik?

Keith Thomas pamięta zaledwie urywki z wypadku, do którego doszło w lipcu 2020 roku: skok do płytkiego basenu, helikopter lądujący na trawniku i przebudzenie następnego dnia w szpitalu, gdy nie był w stanie się poruszyć. W wyniku uderzenia doznał złamania odcinka szyjnego kręgosłupa i poważnego uszkodzenia rdzenia kręgowego, które doprowadziło do paraliżu od klatki piersiowej w dół. Keith, pracujący w branży finansowej na Manhattanie, nie był już w stanie unosić rąk, samodzielnie jeść ani nawet podrapać się po nosie.

Implanty mózgowe pomogły mu odzyskać ruch i czucie

Około rok po urazie Keith został pierwszym pacjentem uczestniczącym w pionierskim, długoterminowym badaniu prowadzonym w Feinstein Institutes for Medical Research w Nowym Jorku. Naukowcy wykorzystali w nim złożony system interfejsu mózg-komputer (BCI), aby sprawdzić, czy możliwe jest przywrócenie części utraconych funkcji. W badaniu opublikowanym w lipcu wykazali, że ich system potrafi nie tylko przekładać myśli Keitha na ruch. Dzięki stymulacji zarówno mózgu, jak i rdzenia kręgowego pomógł mu również odzyskać część zdolności ruchowych i czucia poniżej miejsca urazu – w tym czucie dotyku, które utrzymywało się nawet po wyłączeniu urządzeń.

Dr Chad Bouton, który kieruje zespołem z Feinstein Institutes, opisuje tę technologię jako „hybrydowy system, który stymuluje zarówno rdzeń kręgowy, jak i mózg, aby przywracać ruch i czucie”. Nazywa go interfejsem mózg-ciało (BBI), ponieważ interfejs mózg–komputer jest tylko jednym z jego elementów. – Tworzymy kompletne połączenie między mózgiem a ciałem – mówi.

Keith potrafi dziś sterować swoim wózkiem inwalidzkim, a gdy cały system jest uruchomiony, może samodzielnie jeść, pić z kubka czy chwytać tak delikatne przedmioty jak jajko, nie zgniatając ich. Jak mówi, odzyskane czucie pozwala mu nawet wyczuwać pod palcami sierść swojego psa. – Chodzi o niezależność, ale też o godność – o to, by nie trzeba było ciągle prosić kogoś o pomoc choćby przy wytarciu ust – mówi dr Bouton. – To rzeczy, o których osoby w pełni sprawne na co dzień nie myślą i które uznają za oczywiste.

Technologia nie przywróciła wszystkich funkcji fizycznych, które utracił Keith. Nadal wymaga całodobowej opieki, a osiągnięte postępy są efektem kilku lat intensywnej rehabilitacji i – jak sam mówi – wielu prób i błędów, a nie pojedynczej operacji. Jednak dla osoby z tetraplegią, podkreśla Keith, nawet 10 procent poprawy to bardzo dużo.

Doświadczenie Keitha może zapowiadać znacznie szerszy przełom w neurotechnologii. Dotychczas interfejsy mózg-komputer omijały uszkodzone szlaki nerwowe głównie po to, by umożliwić sterowanie komputerem lub protezą. Omawiany system, ponownie łącząc mózg z ciałem, może dodatkowo pomóc układowi nerwowemu odzyskać część zdolności do samodzielnego poruszania się i odczuwania bodźców. Kluczowe pytania dotyczą obecnie mechanizmu, który doprowadził do tych postępów, oraz tego, czy uzyskane rezultaty da się powtórzyć u innych pacjentów.

Jak działa „podwójny bypass neuronalny”?

W 2023 roku, w ramach trwającego badania klinicznego, chirurdzy wszczepili do mózgu Keitha Thomasa pięć macierzy mikroelektrod – dwie w pierwotnej korze ruchowej, która odpowiada za ruchy dowolne, oraz trzy w korze somatosensorycznej, przetwarzającej informacje związane z dotykiem. Tym samym Keith został pierwszą osobą, u której zastosowano rozwiązanie określane przez zespół badaczy jako podwójny bypass neuronalny.

Określenie „podwójny” odnosi się do dwóch gałęzi systemu: jedna łączy mózg z ciałem, a druga mózg z rdzeniem kręgowym. Wspólnie umożliwiają one dwukierunkowy przepływ informacji – odczytują zamiar wykonania ruchu przez Keitha i przekazują informacje czuciowe z powrotem do jego mózgu.

W części odpowiedzialnej za wysyłanie sygnałów dwie macierze umieszczone w korze ruchowej rejestrują impulsy elektryczne pojedynczych neuronów, gdy Keith jedynie myśli o poruszeniu dłonią. Dekoder wykorzystujący sztuczną inteligencję przekłada te wzorce na zamierzoną czynność, na przykład otwarcie lub zaciśnięcie dłoni. Sygnał ten aktywuje następnie elektrody stymulujące umieszczone na mięśniach przedramienia oraz wydrukowaną w 3D ortezę dłoni, wyposażoną w system sztucznych ścięgien. Orteza zgina palec wskazujący i środkowy, zapewniając siłę chwytu, jakiej mięśnie jego dłoni nie są w stanie samodzielnie wygenerować.

Zupełnie inną funkcję pełni osobna elektroda stymulująca, umieszczona na karku i ukierunkowana na określone korzenie nerwów rdzeniowych. Zamiast wymuszać ruch dłoni na polecenie, stymulacja rdzenia kręgowego w połączeniu z fizjoterapią po około 35 tygodniach zwiększyła siłę generowaną przez mięśnie dwugłowe ramion Keitha o 86% w prawym ramieniu i o 62% w lewym. Pozwoliło mu to po raz pierwszy od czasu wypadku unieść dłonie do twarzy – a poprawa ta utrzymała się długo po wyłączeniu stymulatora.

W części odpowiedzialnej za odbieranie sygnałów elektrody umieszczone w korze czuciowej przekazują informacje z powrotem do mózgu. Czujniki siły wbudowane w ortezę dłoni wykrywają moment, w którym palce Keitha zaciskają się na przedmiocie. System przekształca nacisk w impulsy elektryczne, które są przekazywane bezpośrednio do obszaru kory mózgowej reprezentującego opuszki jego palców. W ten sposób w czasie rzeczywistym odtwarzane jest wrażenie trzymania przedmiotu w dłoni. Podczas jednej z demonstracji takie sprzężenie zwrotne pozwoliło Keithowi poczuć dłoń swojej siostry.

Zdaniem dr. Chada Boutona prawdziwy przełom nastąpił jednak później, gdy zespół opracował technikę nazwaną „korowym odwzorowaniem” (ang. cortical mirroring). Jej celem było przywrócenie trwałego czucia w dłoni Keitha – nie tylko chwilowej informacji zwrotnej dostarczanej przez urządzenie, lecz także zmiany utrzymującej się nawet po jego wyłączeniu.

Po wielu miesiącach samej stymulacji rdzenia kręgowego, która nie przyniosła żadnej poprawy czucia dotyku u Keitha, zespół dr. Boutona zarejestrował charakterystyczne wzorce aktywności mózgu pojawiające się, gdy człowiek wyobraża sobie dotykanie różnych części dłoni. Następnie badacze odtworzyli te wzorce w mózgu Keitha za pomocą elektrycznej stymulacji kory czuciowej, łącząc ją ze stymulacją rdzenia kręgowego i stymulacją na powierzchni skóry. – Kiedy to zrobiliśmy, zadziałało – mówi dr Bouton.

Czucie w okolicy nadgarstka Keitha poprawiło się w sposób mierzalny – według dr. Boutona w ciągu kilku tygodni poprawa była około dziesięciokrotna. – Zwykle nie obserwuje się czegoś takiego trzy czy cztery lata po urazie – mówi, podkreślając, że nastąpiła ona poniżej miejsca uszkodzenia rdzenia. Dla Keitha odzyskanie czucia ma znaczenie nie tylko fizyczne, lecz także społeczne – znów może poczuć dłoń drugiej osoby w swojej. – To niewiarygodne – mówił o tym odczuciu – bo przez lata niczego takiego nie czułem.

Czy implanty mózgowe mogą trwale przywrócić sprawność po paraliżu?

Naukowcy dostrzegają w tych wynikach duże osiągnięcie, jednak apelują o ostrożność. Dr Daniel Rubin, neurolog specjalizujący się w intensywnej terapii w Mass General Brigham Neuroscience Institute, nazywa badanie „majstersztykiem” – nie dlatego, że którykolwiek z jego elementów jest zupełnie nowy, lecz dlatego, że po raz pierwszy połączono trzy techniki, z których każda wcześniej działała osobno. Jeszcze bardziej znacząca jest dla niego sugestia, że stymulacja może trwale modyfikować sam układ nerwowy, stanowiąc – jak to ujmuje – dowód na „neuroregenerację, czyli przywracanie własnej zdolności do poruszania się”, a nie jedynie zastępowanie utraconych funkcji przez urządzenie.

– Wydaje mi się, że wielu z nas od początku podświadomie czuło, że tak to właśnie musi działać – mówi dr Rubin. – Wiemy, że mózg zachowuje plastyczność. Sam fakt, że pamiętamy, co wydarzyło się wczoraj, oznacza, że w naszym mózgu zaszła zmiana. W jego ocenie ostatecznym rezultatem jest samodzielność w codziennym funkcjonowaniu – możliwość wykonywania bez pomocy innych czynności, które przed wypadkiem można było robić samemu.

Większy sceptycyzm co do tego, co dokładnie przełożyło się na postępy Keitha, wykazuje prof. John Downey, badacz interfejsów mózg-komputer z University of Chicago. Zwraca uwagę, że z publikacji wynika, iż korowe elektrody czuciowe umieszczono w obszarze, który na somatotopowej mapie mózgu odpowiada raczej twarzy niż nadgarstkowi. Utrudnia to przypisanie trwałej poprawy czucia plastyczności tego konkretnego obwodu. Prof. Downey podejrzewa, że stymulacja rdzenia kręgowego w połączeniu ze stymulacją nerwów położonych blisko powierzchni skóry może odgrywać większą rolę niż sam implant mózgowy. – Nie ma pewności, czy te elementy współpracują ze sobą w najbardziej efektywny sposób – zauważa.

Obaj badacze, a także sam dr Bouton, podkreślają to samo zastrzeżenie: jest to badanie z udziałem tylko jednego pacjenta. Przystępując do programu, Keith Thomas miał czterdzieści kilka lat i poza skutkami urazu cieszył się dobrym zdrowiem. Był młodszy, a od jego urazu minęło mniej czasu niż w przypadku wielu innych osób żyjących z paraliżem, co mogło zwiększyć jego szanse na odniesienie korzyści z terapii. Dopiero trwające obecnie badania na większą skalę pokażą, czy podobne rezultaty można uzyskać u szerszej grupy pacjentów. – Od czegoś trzeba zacząć – mówi dr Bouton. – Nie chcemy, by ludzie sądzili, że znaleźliśmy lekarstwo na paraliż.

Neurotechnologia coraz bliżej pacjentów. Kiedy może wejść do klinik?

Jeden z elementów tego szerszego podejścia jest już jednak bliżej wdrożenia komercyjnego. Dr Chad Bouton jest założycielem i dyrektorem generalnym firmy Neuvotion, która jesienią planuje wprowadzić system NeuStim do ograniczonej liczby ośrodków klinicznych. W przeciwieństwie do aparatury wszczepionej Keithowi NeuStim nie odczytuje sygnałów bezpośrednio z mózgu. Zamiast tego nieinwazyjne urządzenie noszone na ciele wykorzystuje czujniki oraz sztuczną inteligencję do rozpoznawania zamiaru wykonania ruchu na podstawie subtelnych sygnałów płynących z ciała, a następnie stymuluje odpowiednie mięśnie – na przykład pomagając otworzyć dłoń, aby chwycić przedmiot. Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) dopuściła NeuStim jako zewnętrzny funkcjonalny stymulator nerwowo-mięśniowy. Dr Bouton podaje, że pierwsze systemy kliniczne będą kosztować około 25 tys. dolarów, natomiast tańsza wersja do użytku domowego jest planowana na koniec 2027 roku.

Kilka innych przedsiębiorstw – w tym Neuralink, Paradromics i Synchron – prowadzi wczesne badania kliniczne wszczepialnych interfejsów mózg-komputer z udziałem ludzi. Większość z nich stawia sobie za cel przywrócenie możliwości komunikowania się osobom, które nie mogą mówić. Naukowcy uważają, że właśnie to zastosowanie jest obecnie najbliższe praktycznemu wykorzystaniu. Zespół z laboratorium Rubina umożliwił niedawno sparaliżowanemu mężczyźnie pisanie z prędkością 22 słów na minutę wyłącznie za pomocą myśli – szybciej niż przed wypadkiem. Rubin przypisuje ten rezultat opanowaniu przez mózg pacjenta zupełnie nowej umiejętności, podobnie jak podczas nauki utworu muzycznego.

Dla Keitha dalszy rozwój nauki ma mniejsze znaczenie niż to, co już zdołał osiągnąć. – Wielu ludzi w ogóle nie wie, że coś takiego istnieje – mówi o technologii, dzięki której odzyskał część sprawności rąk. – Sam nigdy wcześniej nie słyszałem o BCI. Zapytany jednak, czy było warto – przejść operacje i lata rehabilitacji – odpowiada bez wahania: – Tak. Było warto.

Źródło: National Geographic