احیای توان حرکتی یک میمون فلج با ارتباط وای فای

دانشمندان برای اولین بار با استفاده از ایمپلنت کاشته شده در مغز دو میمون فلج، توانستند با دور زدن آسیب‌های نخاعی، توانایی راه رفتن را به آن‌ها برگردانند.

این سیستم با رمز‌گشایی از سیگنال‌های مغزی و فرستادن دوباره‌ی آن‌ها، باعث تحریک ماهیچه‌هایی که مسئول حرکت پا هستند، می‌شود. این، اولین سیستم در نوع خود است که جانداران را قادر می‌کند به‌صورت عصبی با اندام مصنوعی ارتباط برقرار کنند و به این نحو حرکت را به عضله‌های ران برگرداند.  با این‌که روش اخیر تاکنون فقط روی میمون‌ها آزمایش شده است، اما اعضای تیمی که مسئولیت این تحقیق را بر عهده دارد، بر این عقیده‌اند که تکنولوژی توسعه داده‌شده توسط آن‌ها روزی می‌تواند به انسان‌های فلجی که از آسیب نخاعی در ستون فقرات رنج می‌برند کمک کند دوباره راه بروند. مهندس دیوید بورتن از دانشگاه براون می‌گوید:

سیستمی که ما توسعه داده‌ایم از سیگنال‌های قشر حرکتی مغز (motor cortex) استفاده می‌کند تا یک دسته‌ی محرک الکتریکی هماهنگ در رشته‌های عصبی نخاع که پدید‌آورنده‌ی حرکت هستند، ایجاد کند. زمانی که این سیستم در حیوان مورد آزمایش فعال شد، تقریبا به‌صورت عادی شروع به راه رفتن کرد.

زمانی که ما راه می‌رویم، سیگنال‌های الکتریکی در قشر حرکتی مغز تولید و به ناحیه‌ی کمر در انتهای نخاع ارسال می‌شوند. وقتی سیگنال‌ها به هدف خود می‌رسند، باعث فعال‌ شدن نورون‌های حرکتی می‌شوند؛ این پروسه به ما کمک می‌کند که هماهنگی لازم در ماهیچه‌های پا برای راه رفتن داشته باشیم.

اما اگر آسیبی شدیدی به قسمت بالایی ستون فقرات وارد شود، مسیر انتقال سیگنال‌ها بین مغز و بخش فوقانی نخاع‌ مسدود می‌شود و این به معنی عدم داشتن کنترل بر ماهیچه‌های پا است.هدف این تیم تحقیقاتی متشکل از دانشمندانی از سوئیس و آلمان، این است که با ارسال همان نوع سیگنال‌ها به‌صورت بی‌سیم و توسط یک کاشت مغزی و دور زدن مسیر مسدود شده، این توانایی حرکت را بازیابی کنند.

در این سیستم که بر اساس تکنولوژی پیشین سنسورها به نام برین‌گیت ساخته شده است، الکترودی به اندازه‌ی یک قرص در مغز جاسازی می‌شود تا سیگنال‌های تولیدشده در قشر حرکتی مغز را دریافت کند. سپس یک سنسور این سیگنال‌ها را به یک رایانه می‌فرستد تا در آنجا پردازش و رمز‌گشایی شوند، در ادامه سیگنال‌ها به‌صورت بی‌سیم به یک محرک کاشته شده در کمر و در زیر ناحیه‌ی نخاعی آسیب‌دیده ارسال می‌شوند. به این ترتیب با شبیه‌سازی سیگنال‌های مغزی و فعال کردن سیستم عصبی، ماهیچه‌های پا حرکت می‌کنند.

محققان برای کالیبره کردن سیستم، این رابط عصبی را در یک میمون سالم آزمایش کردند تا سیگنال‌های مغزی مربوط به حرکات نرمال ماهیچه‌های پای میمون را ثبت کنند. سپس دانشمندان این سیستم را در دو میمونی که به‌طور موقت و توسط ایجاد زخم‌های نخاعی در میانه‌ و بالای ستون فقرات فلج شده بودند، آزمایش کردند.

با فعال کردن رابط عصبی و دریافت‌کننده‌ی سیگنال، میمون‌ها به‌طور ناگهانی شروع به حرکت کردند و با حرکاتی کاملا عادی روی تردمیل قدم زدند. آن‌طور که محققان می‌گویند، بی‌سیم بودن این سیستم بسیار حیاتی است، چون وجود سیم می‌تواند آزادی حرکت را محدود کند. بورتن در این مورد توضیح می‌دهد:

انجام دادن این کار (بی‌سیم کردن سیستم) ما را قادر می‌کند از فعالیت‌های عصبی در یک شرایط عادی و رفتار طبیعی نقشه‌برداری کنیم. اگر واقعا هدف ما این است که روزی با استفاده از اندام مصنوعی عصبی، توانایی حرکت در زندگی روزانه را به افراد فلج برگردانیم، توسعه فناوری‌های بی‌سیم حیاتی است.

کاری که این تیم انجام داده است یک دستاورد بی‌نظیر است، با این حال آن‌ها هنوز در مورد آن بااحتیاط حرف می‌زنند، چون هم‌اکنون سیستم آن‌ها چند محدودیت دارد.

محدودیت اول این است که این رابط عصبی به یک رایانه‌ی جداگانه برای پردازش سیگنال‌ها نیاز دارد و مهم‌تر از آن؛ این سیگنال‌های بی‌سیم به‌صورت یک‌طرفه ارسال می‌شوند، یعنی از مغز به پاها. اما پاهای ما هنگام راه رفتن در حالت عادی، سیگنال‌های ثانویه‌ای به مغز می‌فرستند که حاوی اطلاعاتی از مسیر، جهت و سرعت حرکت و همچنین حالت تعادل است. اکنون هدف بعدی تیم این است که بر این محدودیت‌ها غلبه کنند. بورتن در این باره می‌گوید:

هدف ما در مطالعات آتی تمرکز بر راه رفتن خواهد بود. ما باید اطلاعات بیشتری از نحوه‌ی ایجاد تعادل و حفظ آن در حین راه‌ رفتن و همین‌طور انتقال این پیام به مغز داشته باشیم و باید نیرویی را که هنگام راه‌ رفتن اعمال می‌شود، اندازه‌گیری کنیم.

تیم تحقیقاتی پیش‌بینی می‌کند برای توسعه‌ی این تکنولوژی و استفاده از آن در انسان به چند سال زمان نیاز است، حتی در این صورت نیز دیدن افرادی فلجی که به‌وسیله‌ی این تکنولوژی بی‌سیم قادر به راه رفتن خواهند بود، قطعا شگفت‌انگیز به‌ نظر خواهد رسید.

علاوه بر اینکه از این سیستم می‌توان برای بازیابی توانایی حرکتی افراد استفاده کرد، می‌توان برای آن کاربرد دیگری نیز متصور شد، مردم از آن می‌توانند به‌عنوان یک وسیله‌ی توان‌بخشی استفاده کنند، این وسیله می‌تواند به آن‌ها قدم‌ به‌ قدم یاد دهد که چگونه بایستند و چگونه بدون کمک گرفتن از کسی راه بروند. بروتن می‌گوید:

ایده ما این است که با درگیر کردن مغز با نخاع، شاید بتوانیم در طول دوران توان‌بخشی جریان‌های عصبی را تقویت کنیم. یکی از اهداف اصلی ما همین است و در واقع می‌توان گفت یکی از اهداف اصلی علم عصب‌شناسی همین است.

یافته‌های این تحقیق در Nature منتشر شده است.