Pomôžu ľuďom s prerušenou komunikáciou centrálnej nervovej sústavy a končatín alebo iných funkčných prvkov tela, ako je hlasové ústrojenstvo.
Drobné elektródy voperované do mozgu nie sú až taká novinka. Zaznamenávajú špecifickú nervovú činnosť a podľa nej pomáhajú paralyzovaným ľuďom komunikovať a konať. Alebo tým, ktorí stratili končatiny, ovládať bionické náhrady. A epileptikom utlmiť záchvaty.
Všetko je to skvelé. Lenže tieto elektródy majú aj odvrátenú stránku. Mozgové tkanivo dráždia. Najmä ak sú zavedené hlbšie. A je veľa miest, kde je riskantné ich používať, napríklad v oblastiach, ktoré ovládajú poznávacie funkcie. Lekári vždy musia zvažovať, aké sú šance, že nasadenie elektród nespôsobí viac škody ako úžitku.
Doktor House a jeho tím zasahujú
Našťastie sa objavilo šetrnejšie riešenie. Zatiaľ vyskúšané iba na signáloch, ktoré ovládajú pohyb ruky, no zato s výsledkami, ktoré sľubujú úspech aj v iných častiach mozgu.
Predložil ho tím, ktorý vedie neurochirurg Paul House z Utahskej univerzity v Salt Lake City (USA). Výsledky uverejnili v časopise Neurosurgical Focus.
„Na tejto technológii je unikátne, že poskytuje množstvo informácií o mozgu bez toho, aby sa doň museli zavádzať elektródy. Neurochirurgom to dovoľuje umiestniť toto zariadenie pod lebečnú stenu, ale nad mozgové oblasti, kde by bolo zavedenie elektród riskantné," povedal člen tímu bioinžinier Bradley Greger z tej istej inštitúcie.
Ako nad rečové centrum paralyzovaných pacientov, ktorí nedokážu komunikovať následkom porážky, úrazu chrbtice, amyotropnej laterálnej sklerózy a ďalších chorôb. Elektródy zachytia rečové signály a odošlú ich do počítača vybaveného syntetizátorom reči.
Umožnia však aj jemnejšie ovládanie bionických protéz, alebo všeobecne počítačového rozhrania, ktorý paralyzovaným ľuďom vytvorí skutočne funkčnú bránu do sveta.
Skromné vykúpenie
Paul House hovorí o „skromnom kroku" k využívaniu nových mikroelektród v systémoch na premenu myšlienok postihnutých ľudí na prostriedok ovládania spomenutých elektronických zariadení. Vylepšiť treba najmä softvér, „prekladajúci" mozgové signály. To potrvá ešte niekoľko rokov.
Paulovi Houseovi a Bradleyovi Gregerovi pomáha elektroinžinier a informatik Richard Brown s doktorandmi Spencerom Kellisom z tej istej branže a Kyleom Thomsonom, ktorý študuje bioinžinierstvo, všetci traja tiež z Utahskej univerzity.
Elektródy nad mozgovým tkanivom navyše vydržia podstatne dlhšie ako tie, ktoré sú doň zavedené. Ich menej častá výmena ušetrí postihnutým sprievodné trápenie. „Je predsa rozdiel, ak vám zasa budú musieť otvoriť lebku za tri roky, alebo za desať," lakonicky to vyjadril Bradley Greger.
Elektródové siete
Členovia tímu nazvali novú technológiu microECoG. Význam predpony „micro" je jasný, ide o oveľa menšie verzie elektród vyvinutých už pred polstoročím pre elektrokortikografiu čiže mapovanie elektrických signálov z mozgovej kôry - odtiaľ pochádza zvyšok názvu.
Veľké ECoG elektródy s priemerom niekoľkých milimetrov (zväčša pripomínajú gombík) sa na niekoľko dní až týždňov inštalujú aj epileptikom, ktorým nezaberajú lieky. Neprenikajú do mozgového tkaniva, ale nad predmetnou oblasťou zachytávajú anomálnu elektricú aktivitu. Chirurgovia s ich pomocou môžu presne lokalizovať malú časť mozgu, spôsobujúcu záchvaty - a následne ju odoperovať.
ECoG a microECoG sú vlastne na pol ceste medzi elektródami zavádzanými do mozgu a elektródami bežných elektroencefalografov (EEG), ktoré sa dávajú na vrch lebky.
Ideálne by bolo, keby postihnutí mohli ovládať pomôcky pomocou EEG elektród. Lenže to nejde, signály sa skresľujú jednak prechodom cez lebečnú stenu, jednak prípadnými pohybmi.
Nuž a bežné ECoG elektródy, inštalované v podobe sietí, sú priveľké na to, aby zachytili rad špecifických nervových impulzov, ktoré slúžia na ovládanie trebárs rúk.
Odvážna dobrosrdečná dvojica
Tímu pomohli microECoG vyskúšať dvaja dobrovoľníci. Boli to epileptici, trpiaci silnými záchvatmi, ktorým lekári inštalovali na povrch mozgu bežné ECoG. Súhlasili, aby im tím Paula Housea vedľa dal microECoG. Uvedomovali si riziko nasadenia neoverenej technológie, no chceli pomôcť paralyzovaným a bezrukým či beznohým ľuďom.
Dobrovoľníci sedeli na posteliach a podľa inštrukcií hýbali rukou, aby posúvali bezdrôtovú myš po vysoko citlivom tablete, alebo sa naťahovali po cieli pred nimi napravo respektíve naľavo. Počítač presne zaznamenal pohyby ruky na tablete a priraďoval im súbežne zaznamenávané a analyzované mozgové signály z centier, ovládajúcich ruku.
Vedci onedlho dokázali na základe amplitúdy a intenzity rozpoznať microECoG zachytávané signály, ktorými mozog ruke nariaďoval siahnuť napravo respektíve naľavo.
Od virtuálnej ruky k reálnej?
Elektródy tvorili siete vložené do priehľadného gumovitého silikónu. Prvému dobrovoľníkovi voperovali na niekoľko týždňov dve 16-elektródové (4 x 4) siete s elektródami vzdialenými od seba 1 milimeter. Ukázalo sa však, že je to priblízko, susedné microECoG zachytávali tie isté signály.
Druhému preto na niekoľko dní voperovali jedinú sieť s 32 elektródami, vzájomne vzdialenými 2 milimetre. Ukázalo sa, že optimálna vzdialenosť elektród je 2 až 3 milimetre, vtedy sa z mozgu získa najviac informácií.
Na ľavom obrázku sú vo fotoeditore zvýraznené dve 16-elektródové microECoG siete nad mozgom prvého dobrovoľníka, umiestnené medzi bežnými veľkými gombíkovitými (a číslovanými) ECoG elektródami. MicroECoG sú pripojené cez mikrovodiče s oranžovou a zelenou izoláciou. Na pravom obrázku je zvýrazená 32-elektródová sieť microECoG nad mozgom druhého pacienta medzi bežnými ECoG elektródami, pripojených mikrovodičmi s priehľadnou izoláciou, ktoré vidno v dolnej časti obrázku. Bežné ECoG sú pripojené vodičmi so zelenou izoláciou.
Foto: University of Utah Department of Neurosurgery
Mikrovodiče so zelenou a oranžovou izoláciou sú pripojené ku dvom sieťam so 16 microECoG elektródami. Siete sú na tomto detaile z ľavého prechádzajúceho obrázku sotva viditeľné, keďže každá je vnorená v malej doštičke priehľadného gumovitého silikónu.
Foto: University of Utah Department of Neurosurgery
Ďalší krok - s vylepšeným softvérom na dekódovanie mozgových signálov zachytených cez ECoG v reálnom čase - bude spočívať v pokusoch s takisto epileptickými dobrovoľníkmi, ktorých členovia tímu požiadajú, aby v počítači myšlienkami ovládali virtuálnu ruku.
Hlavný zdroj: Komuniké University of Utah z 28. júna 2009.
