Elektrische Stimulation verbessert die Armkontrolle bei gelähmten Affen

Zusammenfassung: Die elektrische Stimulation überlebender Nerven im oberen Rückenmark nach einer schweren Rückenmarksverletzung verbesserte die motorische Kontrolle in den oberen Gliedmaßen und ermöglichte es Affen mit eingeschränkter Armfunktion, verlorene Bewegung wiederzuerlangen.

Quelle: Universität Pittsburgh

Die elektrische Stimulation überlebender Nerven des oberen Rückenmarks, das durch eine schwere Verletzung geschädigt wurde, kann die motorische Kontrolle der oberen Extremität verbessern und es Personen mit eingeschränkter Armfunktion ermöglichen, verlorene Bewegungen teilweise wiederzuerlangen, berichten Forscher der University of Pittsburgh.

Die erste Runde vorklinischer experimenteller Daten wurde in veröffentlicht Natur Neurowissenschaften heute.

„Um selbst die einfachste Armbewegung auszuführen, muss unser Nervensystem Hunderte von Muskeln koordinieren, und das Ersetzen dieser komplizierten neuralen Steuerung durch direkte elektrische Muskelaktivierung wäre außerhalb eines Labors sehr schwierig“, sagte der leitende Autor Marco Capogrosso, Ph.D., Assistenzprofessor für neurologische Chirurgie und Mitglied der Rehabilitation and Neural Engineering Labs in Pitt.

„Anstatt Muskeln zu stimulieren, haben wir die Technologie vereinfacht, indem wir ein System entwickelt haben, das überlebende Neuronen verwendet, um die Verbindung zwischen Gehirn und Arm über spezifische Stimulationsimpulse an das Rückenmark wiederherzustellen, wodurch es einer gelähmten Person möglicherweise ermöglicht wird, Aufgaben des täglichen Lebens zu erledigen. ”

Einschränkungen in der Arm- und Handmobilität – von Einschränkungen beim Beugen des Handgelenks bis hin zur Unfähigkeit, den Arm überhaupt zu bewegen – gehören zu den lebensveränderndsten Komplikationen, mit denen Schlaganfallpatienten und gelähmte Menschen konfrontiert sind.

Selbst leichte Einschränkungen der Arm- und Handfunktion schränken die Lebensqualität und Autonomie der Patienten erheblich ein, sodass die Wiederherstellung der Kontrolle über die oberen Extremitäten ein wichtiger Schwerpunkt auf dem Gebiet der Neurorehabilitation ist.

Dennoch gibt es keine Therapien oder medizinischen Technologien, die es Patienten ermöglichen, ihre verlorene Funktion der oberen Extremitäten wiederherzustellen oder sinnvoll zu verbessern.

Ein breites Spektrum an Bewegungen der oberen Gliedmaßen und überlegene Geschicklichkeit heben Primaten und Menschen von anderen Säugetieren ab. Die Fähigkeit, den Arm in der Schulter zu drehen, ihn am Ellbogen zu beugen, das Handgelenk zu beugen und zu strecken und den Griff zu ändern, indem die Position einzelner Finger geändert wird, ermöglicht eine außerordentlich komplexe Kontrolle darüber, wie wir Objekte halten und anderweitig mit der Welt interagieren. Diese erstaunliche Fähigkeit macht auch die Wiederherstellung der Arm- und Handbewegung außerordentlich schwierig.

Pitt-Forscher standen vor einer herausfordernden Aufgabe: Entwicklung einer Technologie, die die verbleibenden gesunden Nerven, die das Gehirn und das Rückenmark verbinden, aktivieren könnte, um die Muskeln des Arms durch äußere Reize zu steuern. Die Technologie musste außerdem nahtlos sein und wenig bis gar keine Schulung erfordern, damit die Personen vertraute motorische Aufgaben so fortsetzen können, wie sie es vor ihrer Verletzung getan haben.

Um die Technologie zu testen, arbeiteten die Forscher mit Makakenaffen mit partieller Armlähmung, die darauf trainiert wurden, einen Hebel zu erreichen, zu greifen und zu ziehen, um ihr Lieblingsessen zu erhalten.

Zusätzlich zu Gehirnimplantaten, die elektrische Aktivität von Regionen erkennen, die freiwillige Bewegungen steuern, wurde den Affen eine kleine Reihe von Elektroden implantiert, die mit einem externen Stimulator in der Größe eines Radiergummis verbunden waren, die vorübergehend eingeschaltet wurden, als Gehirnelektroden die Absicht des Tieres erkannten seinen Arm zu bewegen.

„Unser Protokoll besteht aus einfachen Stimulationsmustern, die durch Erkennung der Bewegungsabsicht des Tieres initiiert werden“, sagte die Co-Erstautorin Sara Conti, Ph.D., von der Harvard Medical School und dem Boston Children’s Hospital.

„Wir müssen es nicht wissen wo das Tier will sich bewegen; wir müssen nur wissen, dass sie wollen zu bewegen, und das Extrahieren dieser Informationen ist relativ einfach. Unsere Technologie könnte auf viele verschiedene Arten in Kliniken implementiert werden, möglicherweise ohne dass Gehirnimplantate erforderlich sind.“

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Selbst leichte Einschränkungen der Arm- und Handfunktion schränken die Lebensqualität und Autonomie der Patienten erheblich ein, sodass die Wiederherstellung der Kontrolle über die oberen Extremitäten ein wichtiger Schwerpunkt auf dem Gebiet der Neurorehabilitation ist. Das Bild ist gemeinfrei

Die Elektroden sowie das Design und die Platzierung des Stimulators – über den Nervenwurzeln, die vom Rückenmark zu den Muskeln des Arms und der Hand sprießen – wurden mithilfe einer Kombination aus Computeralgorithmen und medizinischer Bildgebung umfassend überprüft, um sicherzustellen, dass die einzigartige Anatomie jedes Tieres mit der kompatibel war Gerät.

Die Analyse zeigte, dass die Stimulation zwar nicht ausreichte, um die Armfunktion vollständig wiederherzustellen, die Präzision, Kraft und Bewegungsreichweite jedoch signifikant verbesserte, sodass jedes Tier seinen Arm effizienter bewegen konnte. Wichtig ist, dass sich die Tiere weiter verbesserten, als sie sich anpassten und lernten, wie man Stimulation verwendet.

„Einen Schritt zurückzutreten und ein sehr komplexes klinisches Problem aus einer anderen und einfacheren Perspektive anzugehen als alles, was zuvor getan wurde, eröffnet Menschen mit Arm- und Handlähmung mehr klinische Möglichkeiten“, sagte die Co-Erstautorin Beatrice Barra, Ph.D. , ehemaliger Doktorand an der Universität Freiburg in der Schweiz und Gastwissenschaftler bei Pitt, derzeit an der New York University.

„Durch den Aufbau einer Technologie rund um das Nervensystem, die das nachahmt, wofür es von Natur aus entwickelt wurde, erzielen wir bessere Ergebnisse.“

Eine klinische Studie, in der getestet wird, ob die elektrische Rückenmarkstimulation die Arm- und Handkontrolle bei Patienten verbessern kann, die einen Schlaganfall erlitten haben, rekrutiert derzeit Teilnehmer an der University of Pittsburgh und UPMC.

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Weitere Autoren dieses Artikels sind Matthew Perich, Ph.D., und Tomislav Milekovic, Ph.D., beide an der Universität Genf; Katie Zhuang, Ph.D., Mélanie Kaeser, Ph.D., Maude Delacombaz, Ph.D., Eric Rouiller, Ph.D., alle an der Universität Fribourg, Schweiz; Giuseppe Schiavone, Ph.D., Florian Fallegger, Ph.D., Katia Galan, Ph.D., Nicholas James, Ph.D., Quentin Barraud, Ph.D., Stephanie Lacour, Ph.D., Jocelyne Bloch , Ph.D., und Grégoire Courtine, Ph.D., alle an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Genf.

Finanzierung: Diese Forschung wurde durch ein Stipendium des Wyss Center (WCP008), ONWARD Medical, die Bertarelli Foundation, das Ambizione-Stipendium des Schweizerischen Nationalfonds (Nr. 167912) und das Doc-Mobility-Stipendium (188027), das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union, unterstützt die Marie-Skłodowska-Curie-Zuschussvereinbarung (665667), ein Stipendium des Schweizerischen Nationalfonds (BSCGI0_157800), ein Stipendium des Whitaker International Scholars Program und interne Finanzierung durch die Universität Freiburg und Pitt.

Über diese Neuigkeiten aus der Neurotech-Forschung

Autor: Anastasia Gorelova
Quelle: Universität Pittsburgh
Kontakt: Anastasia Gorelova – Universität Pittsburgh
Bild: Das Bild ist gemeinfrei

Originalforschung: Geschlossener Zugang.
Die epidurale elektrische Stimulation der zervikalen Rückenwurzeln stellt die freiwillige Kontrolle der oberen Gliedmaßen bei gelähmten Affen wieder her“ von Marco Capogrosso et al. Natur Neurowissenschaften


Abstrakt

Die epidurale elektrische Stimulation der zervikalen Rückenwurzeln stellt die freiwillige Kontrolle der oberen Gliedmaßen bei gelähmten Affen wieder her

Die Wiedererlangung der Armkontrolle hat für Menschen mit Lähmungen höchste Priorität. Leider hat die Komplexität der neuronalen Mechanismen, die der Armsteuerung zugrunde liegen, die Wirksamkeit neurotechnologischer Ansätze eingeschränkt. Hier haben wir die neuronale Funktion überlebender spinaler Schaltkreise ausgenutzt, um die freiwillige Arm- und Handkontrolle bei drei Affen mit Rückenmarksverletzung durch Rückenmarksstimulation wiederherzustellen.

Unsere neuronale Schnittstelle nutzt die funktionelle Organisation der Dorsalwurzeln, um in geeigneten Bewegungsphasen künstliche Erregung über elektrische Stimulation an relevante Wirbelsäulensegmente zu übermitteln. Stimulationsausbrüche, die auf bestimmte Wirbelsäulensegmente abzielten, erzeugten anhaltende Armbewegungen, die es Affen mit Armlähmung ermöglichten, eine uneingeschränkte Reach-and-Greif-Aufgabe auszuführen.

Die Stimulation verbesserte gezielt Kraft, Aufgabenleistung und Bewegungsqualität. Die Elektrophysiologie legte nahe, dass restliche absteigende Eingaben notwendig waren, um koordinierte Bewegungen zu erzeugen.

Die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit unseres Ansatzes versprechen realistische klinische Umsetzung.

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