How Brain Implants Can Let Paralyzed People Move Again

차 한 잔을 집는 것과 같은 간단한 일에는 몸에서 엄청나게 많은 행동이 필요합니다. 팔 근육이 발화하여 팔을 컵 쪽으로 움직입니다. 손가락 근육이 발화하여 손을 펼친 다음 손잡이 주위로 손가락을 구부립니다. 어깨 근육은 팔이 어깨에서 튀어나오는 것을 방지하고 코어 근육은 컵의 추가 무게로 인해 넘어지지 않도록 합니다. 이 모든 근육은 정확하고 조정된 방식으로 작동해야 하지만 의식적으로 노력하는 유일한 방법은 "알아요: 차!"

이것이 마비된 사지를 다시 움직이게 하는 것이 그토록 어려운 이유입니다. 대부분의 마비된 근육은 여전히 ​​작동할 수 있지만 뇌와의 통신이 끊어졌습니다, 그래서 그들은 발사 지시를 받지 못하고 있습니다. 우리는 아직 척수 손상을 복구할 수 없으므로 한 가지 해결책은 이를 우회하여 인위적으로 근육에 지침을 제공하는 것입니다. 그리고 뇌 활동을 읽고 해석하는 기술의 발달 덕분에 언젠가는 이러한 지시가 환자의 마음에서 직접 나올 수 있을 것입니다.

마비된 근육에 전기를 공급하는 신경 주변이나 근육 내부에 전극을 배치하여 마비된 근육을 자극할 수 있습니다. 기능적 전기 자극 (FES). 마비된 사람들의 움직임을 도울 뿐만 아니라 방광 기능을 회복하고 효과적인 기침을 생성하며 통증을 완화하는 데에도 사용됩니다. 척수 손상 환자의 삶에 큰 변화를 가져올 수 있는 매력적인 기술입니다.

Keele의 Dimitra Blana와 그녀의 동료들은 이 기술을 복잡한 팔을 작동하는 데 필요한 지침. 차 한 잔을 들고 싶다면 어떤 근육이 언제, 얼마나 발화해야 할까요? 발사 지침은 복잡하며 많은 수의 코어, 어깨, 팔 및 손가락 근육이 관련되어 있기 때문만은 아닙니다. 천천히 차를 마시면 컵의 무게가 변하기 때문에 지시 사항도 바뀝니다. 코를 긁는 것과 같이 다른 작업을 수행하려면 지침이 완전히 다릅니다.

작동하는 패턴을 찾기 위해 마비된 근육에 다양한 발사 패턴을 시도하는 대신 다음을 사용할 수 있습니다. 근골격계의 컴퓨터 모델 그들을 계산합니다. 이러한 모델은 근육, 뼈 및 관절이 움직이는 동안 작동하고 상호 작용하는 방식에 대한 수학적 설명입니다. 시뮬레이션에서 근육을 강하거나 약하게 만들거나 "마비" 또는 "외부 자극"을 할 수 있습니다. 다양한 발사 패턴을 빠르고 안전하게 테스트할 수 있으며 모델이 계속해서 찻잔을 집게 할 수 있습니다. 때로는 다른 모델보다 더 성공적일 수도 있습니다.


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근육 모델링

이 기술을 테스트하기 위해 Keele 팀은 클리블랜드 FES 센터 그들이 이식하는 미국에서 최대 24개의 전극 연구 참여자의 근육과 신경에 현재 FES 시스템에는 전극보다 마비된 근육이 더 많기 때문에 모델링을 사용하여 전극을 배치할 위치를 결정합니다.

선택해야 한다면 견갑하근 자극과 극상근 자극 중 어느 것이 좋을까요? 겨드랑이 신경을 자극하는 경우 전극을 소원근 분지 앞이나 뒤에 놓아야 합니까? 이러한 어려운 질문에 답하기 위해, 서로 다른 전극 세트로 시뮬레이션을 실행합니다. 컴퓨터 모델이 가장 효과적으로 움직일 수 있는 모델을 선택합니다.

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현재 팀은 회전근개라는 근육군에 의해 안정화되는 어깨에 대해 연구하고 있습니다. 팔의 발사 지시를 잘못 받으면 버터 나이프 대신 수프 스푼에 닿을 수 있습니다. 회전근개에 대한 지시가 잘못되면 팔이 어깨 밖으로 튀어나올 수 있습니다. 컴퓨터 모델이 보기에 좋지는 않지만 불평하지 않습니다. 연구 참가자는 덜 용서할 것입니다.

쥐기 같은 유용한 움직임을 생성하기 위해 마비된 근육을 활성화하는 방법을 아는 것은 문제의 절반에 불과합니다. 또한 예를 들어 사용자가 물건을 집어들고 싶을 때와 같이 언제 근육을 활성화해야 하는지 알아야 합니다. 한 가지 가능성은 이 정보를 뇌에서 직접 읽는 것입니다. 최근에, 미국의 연구원 마비된 사람의 뇌에 있는 개별 세포의 소리를 듣기 위해 임플란트를 사용했습니다. 서로 다른 움직임은 서로 다른 뇌 활동 패턴과 연관되어 있기 때문에 참가자는 손 근육의 자극에 의해 생성된 XNUMX개의 사전 프로그래밍된 움직임 중 하나를 선택할 수 있었습니다.

두뇌 읽기

이것은 신경 보철 분야의 흥미로운 발전이었지만 많은 과제가 남아 있습니다. 이상적으로는 뇌 임플란트는 수십 년 동안 지속되어야 합니다. 현재는 동일한 신호를 몇 주 이상 기록하기가 어렵기 때문에 이러한 시스템을 정기적으로 재보정해야 합니다. 사용 새로운 임플란트 디자인 or 다른 뇌 신호 장기적인 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

또한 임플란트는 우리의 팔다리를 제어하는 ​​수백만 개의 세포 중 극히 일부의 소리만 듣기 때문에 읽을 수 있는 움직임의 범위가 제한적입니다. 하지만, 로봇 팔다리의 뇌 제어 다중 자유도(이동, 회전 및 잡기)가 달성되었으며 이 기술의 기능은 빠르게 발전하고 있습니다.

마지막으로, 우리가 일반적으로 당연하게 여기는 부드럽고 수월한 움직임은 팔이 공간의 어디에 있고 손가락 끝이 물체에 닿는 시점을 알려주는 풍부한 감각 피드백에 의해 안내됩니다. 그러나 이러한 신호는 부상 후에도 손실될 수 있으므로 연구원들이 일하고있다. 언젠가 감각과 움직임을 회복할 수 있는 뇌 임플란트에 대해.

일부 과학자들은 두뇌 읽기 기술이 건강한 개인이 컴퓨터, 휴대전화, 심지어 다른 뇌에 직접. 그러나 이것은 공상 과학 소설의 영역으로 남아 있는 반면 의료 응용을 위한 뇌 제어는 빠르게 임상 현실이 되고 있습니다.

저자 정보

Dimitra Blana, 킬 대학교 의생명 공학 연구원

Andrew Jackson, Wellcome Trust 선임 연구원, Newcastle University

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