Cu ajutorul tehnologiei, acesta a reușit să mănânce și să bea singur, iar unele îmbunătățiri s-au menținut după oprirea stimulării, potrivit News.ro.
Leziunile severe ale măduvei spinării pot întrerupe transmiterea semnalelor dintre creier și restul corpului. Atunci când sunt afectate atât brațele, cât și picioarele, pacienții își pierd o mare parte din autonomie și depind de ajutor pentru activități cotidiene precum alimentația, îmbrăcarea sau igiena personală.
În mai mult de jumătate dintre cazurile de leziune a măduvei spinării, paralizia afectează atât brațele, cât și picioarele. Recuperarea este deosebit de dificilă după leziunile complete, în care pacientul nu își mai poate controla voluntar corpul și nu mai simte atingerea în regiunile situate mai jos de locul leziunii măduvei spinării.
Interfețele creier-computer dezvoltate până acum au permis unor persoane cu paralizie să controleze dispozitive externe sau să își miște membrele prin stimularea mușchilor. Aceste sisteme nu au reușit însă să restabilească simultan mișcarea propriei mâini și senzația de atingere. Beneficiile au fost, de regulă, limitate la perioadele în care dispozitivul era activ.
Un grup de cercetători de la Institutele Feinstein pentru Cercetare Medicală din Statele Unite a dezvoltat un sistem neuroprotetic denumit „dublu bypass neuronal”. Tehnologia conectează activitatea cerebrală cu măduva spinării, mușchii mâinii și regiunea cerebrală care procesează atingerea.
Tehnologia, implantată și prezentată inițial în 2023, a reprezentat o premieră mondială prin restabilirea simultană a mișcării și a senzației de atingere în mâna paralizată a pacientului, iar rezultatele complete ale celor trei ani de testare clinică au fost publicate acum în revista Nature Medicine.
Cum funcționează sistemul neuroprotetic bazat pe implanturi și inteligență artificială
Sistemul a fost evaluat într-un studiu clinic desfășurat pe parcursul a peste trei ani. La studiu a participat un bărbat de 42 de ani, cu tetraplegie completă – paralizia brațelor și a picioarelor, cu pierderea controlului voluntar și a sensibilității sub nivelul leziunii măduvei spinării –, produsă în urma unei leziuni a măduvei spinării suferite după ce s-a aruncat într-o piscină.
Leziunea afecta funcția motorie de la nivelul vertebrei cervicale C5 și sensibilitatea de la nivelul C4. La includerea în studiu, bărbatul își putea ridica foarte puțin brațele de pe suporturile scaunului rulant. Nu își putea duce mâinile la față, nu putea ține obiecte și nu simțea atingerea la nivelul mâinilor și al încheieturilor.
În urma unei intervenții neurochirurgicale care a durat 15 ore, medicii au implantat în creierul participantului cinci rețele de microelectrozi. Sistemul a înregistrat activitatea cortexului motor și senzorial, iar algoritmii de inteligență artificială (AI) au identificat intențiile de mișcare cu o acuratețe de până la 84,6%. Performanța s-a menținut timp de cinci luni, fără recalibrarea algoritmilor.
Cercetătorii au implantat două rețele de microelectrozi în cortexul motor primar, regiunea cerebrală care coordonează mișcarea. Alte trei rețele au fost amplasate în cortexul somatosenzorial primar, zona care primește și interpretează informațiile tactile.
Semnalele cerebrale asociate intenției de mișcare au fost analizate cu ajutorul unor algoritmi de inteligență artificială. Sistemul a folosit aceste informații pentru a stimula electric măduva spinării și mușchii antebrațului. Astfel, intenția bărbatului de a deschide sau închide mâna a fost transformată în mișcare.
Pentru redarea senzației de atingere, cercetătorii au montat senzori de presiune în palmă și într-o orteză realizată special pentru mâna dreaptă. Informațiile captate de senzori au fost transmise prin stimulare electrică către cortexul somatosenzorial. Participantul a putut astfel să perceapă momentul în care atingea sau strângea un obiect.
Pacientul a reușit să mănânce și să bea singur și să controleze forța de prindere
În prima etapă, stimularea electrică a măduvei spinării a crescut forța de flexie a coatelor. După aproximativ 35 de săptămâni, forța brațului drept crescuse cu 86%, iar cea a brațului stâng cu 62%, comparativ cu valorile inițiale. Bărbatul a reușit ulterior să își ducă ambele mâini la față.
Stimularea măduvei spinării nu a fost suficientă pentru restabilirea controlului voluntar asupra degetelor. De asemenea, această intervenție nu a îmbunătățit sensibilitatea mâinii și a încheieturii. Pentru aceste funcții a fost necesară utilizarea întregului sistem neuroprotetic.
Cu ajutorul implanturilor cerebrale, al stimulării musculare și al ortezei, participantul a putut să deschidă și să închidă mâna dreaptă. Bărbatul a reușit să ridice o cană și să bea singur. De asemenea, și-a putut duce mâncarea la gură și a controlat forța cu care prindea obiecte fragile.
Într-unul dintre teste, participantul a trebuit să prindă și să ridice o coajă goală de ou fără să o vadă. Cercetătorii au blocat vederea participantului pentru a evalua dacă acesta putea recunoaște, exclusiv prin senzația transmisă de implant, că prinsese în mână coaja goală de ou.
Un algoritm de AI a reglat în timp real forța cu care orteza prindea obiectul, astfel încât acesta să nu fie scăpat sau strivit. Cu ajutorul algoritmului, forța de prindere a fost menținută în limitele stabilite în 87% dintre încercări, comparativ cu 27% atunci când algoritmul nu a fost utilizat.
Stimularea cortexului somatosenzorial l-a ajutat să recunoască prezența obiectului în mână și să evite strângerea excesivă. Sistemul a continuat să identifice intențiile de mișcare timp de peste cinci luni, fără recalibrarea repetată a algoritmului. Capacitatea sistemului de a interpreta corect și constant intențiile de mișcare este esențială pentru ca tehnologia să poată fi utilizată în viitor și în afara laboratorului.
Rezultatele sunt promițătoare, dar tehnologia trebuie testată pe mai mulți pacienți
Cercetătorii au observat și o îmbunătățire a sensibilității la nivelul încheieturii mâinii. Aceasta s-a menținut mai mult de două luni după oprirea intervenției. Potrivit autorilor, persistența efectului sugerează că stimularea repetată ar putea favoriza neuroplasticitatea, capacitatea sistemului nervos de a forma sau consolida conexiuni neuronale.
„Nu urmărim doar să ocolim leziunea, ci să ajutăm sistemul nervos să își refacă legăturile”, a explicat Chad Bouton, specialist în inginerie biomedicală și profesor la Institutul de Medicină Bioelectronică din cadrul Feinstein Institutes, autorul corespondent al studiului.
Rezultatele trebuie însă interpretate cu prudență. Sistemul a fost evaluat la un singur participant și necesită echipamente specializate, implanturi cerebrale și personal instruit și nu este disponibil pentru utilizare medicală curentă.
Echipa intenționează să testeze tehnologia pe mai multe persoane, cu leziuni diferite ale măduvei spinării. Studiile viitoare trebuie să stabilească dacă beneficiile pot fi reproduse și în ce măsură sistemul poate fi simplificat pentru utilizarea în afara centrelor de cercetare.
Rezultatele complete ale studiului clinic, desfășurat pe parcursul a peste trei ani, au fost publicate joi, în revista Nature Medicine. Studiul arată cum noul sistem hibrid de interfață creier–computer combină această tehnologie cu inteligența artificială și stimularea electrică de mare precizie a creierului și măduvei spinării. Scopul este refacerea conexiunilor sistemului nervos pentru restabilirea funcției mâinii la o persoană cu paralizie a brațelor și picioarelor cauzată de o leziune completă a măduvei spinării.
