Das implantierte Gerät setzt Gedanken in Bewegung

Mithilfe einer implantierten Gehirn-Computer-Schnittstelle konnten Forscher des Miami Project to Cure Paralysis dem querschnittsgelähmten Deutschen Aldana Zuniga helfen, etwas Unabhängigkeit zurückzugewinnen, indem sie es ihm ermöglichten, seine Hand zu benutzen, indem er einfach darüber nachdachte.



Als der Deutsche Aldana Zuniga 16 Jahre alt war, sagten ihm die Ärzte, dass er nie wieder gehen oder seine Arme richtig benutzen könne.

Aber Zuniga gab die Idee nie auf.

Heute, neun Jahre nachdem er durch einen schweren Autounfall gelähmt war, macht Zuniga bedeutende Fortschritte. Mit einer chirurgisch implantierten Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI), die seine Gedanken entschlüsseln kann, fuhr Zuniga kürzlich einen angepassten NASCAR-Rennwagen über den Pikes Peak International Raceway in Colorado, indem er nur daran dachte, das Gaspedal zu ergreifen.

Außerdem verbindet er sein BCI jeden Tag mit einem anpassungsfähigen Handschuh, um ihm dabei zu helfen, wieder etwas Kontrolle über seine rechte Hand zu erlangen, um Türen zu öffnen, sich selbst zu ernähren, kurze Notizen zu schreiben und seine Zähne zu putzen.

„Es war erstaunlich, dort zu stehen und zu sehen, wie sich meine Beine bewegen, wenn ich darüber nachdenke“, sagte Zuniga. “Es war wundervoll.”

Im Jahr 2018 erklärte sich Zuniga im Rahmen einer Forschungsstudie freiwillig bereit, das BCI chirurgisch implantieren zu lassen, um zu sehen, ob die Technologie das Leben von Menschen wie ihm verbessern könnte, die mit Rückenmarksverletzungen leben. Es war das erste Mal, dass Ärzte an der Miami-Projekt zur Heilung von Lähmungenein Exzellenzzentrum an der Miller School of Medicine der University of Miami, hatte ein BCI nur zu Forschungszwecken implantiert, sagte David McMillan, Direktor für Bildung und Öffentlichkeitsarbeit für The Miami Project sowie Assistenzprofessor für neurologische Chirurgie.

„Es war schwierig, jemanden zu finden, der mutig genug war, sich ein Gehirnimplantat zu besorgen, wenn er es nicht brauchte“, sagte McMillan, der viele klinische Studien des Miami-Projekts für Menschen mit Rückenmarksverletzungen ermöglicht. „Es gab keinen garantierten Nutzen, aber der Mut und der Entdeckergeist von German waren erstaunlich.“

Zwei Wochen nach seiner Operation traf sich Zuniga mit dem Forschungsteam, dem Studienleiter Abhishek Prasad, ein außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik; Dr. Jonathan Jagid, Professor für klinische Neurochirurgie; Dr. Michael Ivan, außerordentlicher Professor für Neurochirurgie; Dr. Iahn Cajigas, Praktikant in der Neurochirurgie; und Kevin Davis, ein Doktorand in Prasads Labor für neurale Schnittstellen bei The Miami Project.

Deutsch mit Team bei Miami ProjectIndem sie Zuniga dazu veranlassten, über die natürliche Aufgabe des Öffnens und Schließens seiner Hand nachzudenken, konnten die Forscher eine Software entwickeln, die seine einzigartigen Gehirnsignale lesen und an den Handschuh senden konnte. Bald, solange er den Handschuh trug, konnte Zuniga Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger seiner rechten Hand bewegen.

„Es hat mir sehr viel bedeutet, meine Finger wieder bewegen zu sehen“, sagte Zuniga, jetzt 25. „Es hat mir mehr Vertrauen gegeben, dass das, was ich getan habe, richtig war, und es hat mich glücklich gemacht zu wissen, dass dies nicht nur für mich, sondern auch für diese Forschung ist Menschen überall helfen könnte, die an Rückenmarksverletzungen leiden.“

Die Fortschritte, die Zuniga gemacht hat, sind das Ergebnis seiner eigenen Entschlossenheit, zusammen mit der fleißigen Arbeit der Forscher des Miami Project, die das gemeinsame Ziel verfolgen, Menschen mit Rückenmarksverletzungen dabei zu helfen, sich wieder zu bewegen. Jagid, der Zunigas BCI implantiert hat, sagte, sein Team suchte mehr als sechs Jahre lang nach einem Kandidaten für diese experimentelle Operation, und sie hatten das Glück, Zuniga zu finden.

„Der Deutsche ist ein sehr ehrgeiziger, selbstloser Mensch, der jedem helfen will, der ihm helfen kann, eine Rückenmarksverletzung zu überwinden“, sagte Jagid. „Ich war nicht überrascht, dass er dieses Auto fahren konnte, denn wenn du Deutsch kannst, wird er es schaffen.“

Jetzt hat das Team andere Ziele für den BCI: Helfen Sie Zuniga dabei, beide Hände – und möglicherweise auch seine Beine – zu benutzen. Vielleicht bekommt Zuniga auch die Chance, eines Tages ein adaptives Boot zu fahren.

Es war jedoch eine lange Reise.

Nachdem der Autounfall ihn gelähmt hatte, verbrachte Zuniga sechs Monate im Krankenhaus und ein Jahr seines Lebens in der Rehabilitation, während er daran arbeitete, sein Juniorjahr an der High School abzuschließen. Aber wie andere Überlebende einer Rückenmarksverletzung versucht Zuniga, aktiv zu bleiben, um weitere Muskelkrämpfe oder Atrophie zu verhindern. Er trainierte im Fitnessstudio von The Miami Project und nahm an anderen klinischen Studien teil, als er einen Newsletter über eine Studie las, in der nach Menschen mit Rückenmarksverletzungen gesucht wurde, die sich freiwillig für die Implantation eines BCI engagieren wollten. Da es ihm helfen könnte, etwas Unabhängigkeit zurückzugewinnen, war Zuniga fasziniert.

Zuniga wurde für die Studie geprüft, die die Erfüllung strenger Qualifikationskriterien beinhaltete. Und als er 21 wurde, ließ er sich operieren. Jagid sagte, sein Team habe sich für dieses spezielle BCI entschieden, weil es weniger invasiv als andere sei und darauf ausgelegt sei, Gehirnsignale zu erfassen. Das eigentliche Gerät ist nur ein winziger Sensorstreifen, der auf dem Gehirn sitzt – zusammen mit einem Generator, der direkt unter dem Schulterknochen platziert ist, und einem kleinen Draht, der die beiden verbindet. Ein weiterer Vorteil ist, dass das BCI vollständig im Körper verborgen ist. Wenn Zuniga beschließt, das BCI später entfernen zu wollen, ist die Operation daher reversibel, sagte Jagid.

Unter der Leitung von Ivan und Jagid legte das Operationsteam fest, wo das BCI auf Zuniga platziert werden sollte, damit es die größte Wirkung erzielen würde. Es sitzt jetzt über einem kleinen Bereich des Gehirns, der die Handbewegung steuert, dem sogenannten Handmotorknopf.

„Unser Gedanke war, dass wir ihm einfach erlauben könnten, wieder Handbewegungen zu initiieren, indem wir darüber nachdenken, das könnte ihm wesentlich helfen, und so kam es dazu“, fügte Jagid hinzu.

Sobald das BCI eingerichtet war, entwarfen Davis, Prasad und andere eine Software, um Zunigas Gehirnsignale vom Gerät zu entschlüsseln. Sie baten ihn, über das Öffnen und Schließen seiner Hand nachzudenken, und trainierten dann das BCI, diese einzigartigen Signale von dem Teil des Gehirns aufzunehmen, der für die Bewegung seiner rechten Hand verantwortlich ist. Mit der Zeit ermöglichte ihre Arbeit Zuniga, nicht nur den Handschuh zu steuern, sondern Zuniga konnte mit seinem BCI auch ein Roboter-Laufgerät auf einem Laufband im Miami Project im Jahr 2019 steuern.

„Es fühlte sich gut an, wieder auf den Beinen zu sein und zu sehen, wie sich meine Beine bewegten, wenn ich darüber nachdachte“, sagte Zuniga. “Es war wundervoll.”

Davis – ein autodidaktischer Software-Ingenieur, der am College Neurowissenschaften studierte – fand dann heraus, wie man den Decoder tragbar machte, damit Zuniga das BCI außerhalb des Labors verwenden konnte. Davis hat sogar eine Handy-App entwickelt, die sich über Bluetooth mit dem BCI verbindet und Zuniga dazu bringt, über das Öffnen und Schließen seiner Hand nachzudenken. Dann verbindet ein Minicomputer in Zunigas Rucksack seine Gehirnsignale, um ein Gerät zu steuern – typischerweise den adaptiven Handschuh.

„Das BCI extrahiert die Daten aus dem Gehirn und sendet dann Informationen an ein anderes Gerät wie den Handschuh oder im jüngsten Fall an ein Autobeschleuniger“, sagte Davis, ein Student am MD/Ph.D. Medizinwissenschaftler-Ausbildungsprogramm, derzeit macht er seine Abschlussarbeit in Biomedizintechnik.

Kurz vor Beginn der COVID-19-Pandemie beendete Davis die Verfeinerung des tragbaren BCI-Decoders. Dies war besonders günstig, da Zuniga seine neuen Fähigkeiten in den letzten zwei Jahren zu Hause üben konnte und Davis die Software bei Bedarf aus der Ferne verfeinern konnte. Er kann jetzt auch von zu Hause aus Daten über Zuniga sammeln und sammelt Beweise dafür, wie nützlich das BCI-Setup in Zukunft für andere mit Rückenmarksverletzungen sein könnte.

Jagid sagte, dass Zuniga die einzige ihm bekannte Person mit einer Rückenmarksverletzung mit diesem mobilen Setup ist, während andere BCI-Patienten typischerweise ein sichtbares Gerät aus ihrem Kopf herausragen und in einem Labor sein müssen, um es an eine Maschine anzuschließen, die ihr Gehirn entschlüsselt Signale.

„Das Schöne an diesem Gerät und dem aktuellen Setup ist, dass es zu Hause verwendet werden kann, sodass er tatsächlich von der erneuten Verwendung seiner Hand profitieren kann“, fügte Jagid hinzu. „Deutsch ist sehr gut darin geworden, das nahtlos zu tun.“

Die Flexibilität des transportablen BCI von Zuniga bietet unzählige Vorteile, fügte McMillan hinzu.

„Derzeit haben andere Leute möglicherweise BCIs, die ein breiteres Signal haben und fortgeschrittenere Befehle senden könnten [from their brain], aber weil dieses einfacher ist und es dem Deutschen ermöglicht, es in einer Vielzahl von Kontexten zu verwenden, kann er mehr und weiter erforschen als andere“, sagte McMillan. „Er verwendet es, um einfache Aktivitäten des täglichen Lebens zu erledigen und wirklich fortschrittliche Robotik zu steuern, wie einen 850-PS-NASCAR-Rennwagen.“

Deutsch im Rennwagen

Das Auto in diesem Frühjahr zu fahren, eine Gelegenheit, die durch ermöglicht wird Falci Adaptive Motorsports, es wurden ein paar Änderungen an der BCI-Software vorgenommen, damit sie mit der Technologie des Autos funktioniert, aber nicht viel, sagte Davis. Zuniga musste immer noch daran denken, seine Hand zu öffnen und zu schließen, um den Gashebel zu betätigen, benutzte einen adaptiven Helm zum Lenken und ließ ein spezielles Gerät am Helm befestigen, wo er einatmete oder „nippte“, um zu bremsen.

„Wir haben ein paar Mal trainiert, bevor wir gegangen sind, aber German hat immer noch nur die gleiche motorische Vorstellung vom Öffnen und Schließen seiner Hand verwendet, mit der er ziemlich vertraut ist“, sagte Davis. „Er musste nur herausfinden, wie empfindlich es für das Gas ist.“

Während ein Sicherheitsfahrer mit ihm im Auto saß, war Zuniga von der Erfahrung, einen Rennwagen zu fahren, begeistert.

„Nach der ersten Runde verlor ich meine Angst und das Gefühl der Freiheit war unglaublich“, sagte er. „Zu sehen, wie ich ein Auto steuern kann – etwas, von dem ich nie gedacht hätte, dass dieses Gerät es möglich machen könnte.“

Der nächste Schritt für das Team besteht darin, die Anwendungen von Zunigas derzeit implantiertem BCI zu erweitern, indem versucht wird, mehr eindeutige Signale aus seinem Gehirn zu extrahieren. Dies könnte komplexere Funktionen wie die Verwendung beider Hände ermöglichen. Gleichzeitig untersucht das Team andere Gehirn-Computer-Schnittstellen, die zukünftigen Patienten mehr Freiheit und Wiederherstellung der Funktion ermöglichen könnten.

Zuniga hatte immer gehofft, nach seinem Highschool-Abschluss im Jahr 2015 aufs College gehen zu können. Nachdem er die Macht der Technologie durch eigene Erfahrungen gesehen hatte, entschied er sich, am Miami-Dade College Informatik als Hauptfach zu studieren, und hofft nun, dass er Gehirngeräte programmieren kann, um ihm zu helfen andere Menschen wie er gewinnen an Mobilität.

„Die Zusammenarbeit mit dem BCI hat mein Interesse geweckt, weil ich gesehen habe, was man mit Technologie anstellen kann“, sagte Zuniga. „Es hat mich hungrig gemacht, helfen zu wollen, es besser zu machen und eines Tages sogar ein neues Gerät zu entwickeln.“

zusätzlich Zu den Mitgliedern des BCI-Studienteams des Miami-Projekts gehören: Annie Palermo, Noeline Prins, Jasim Ahmad, Steven Vanni, Sebastian Gallo, Audrey Wilson und Letitia Fisher.




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