“الالتفاف العصبي”.. طريقة حديثة للتغلب على شلل اليد
تقدم كبير في واجهات الدماغ والحاسوب يتيح للرجل المصاب بالشلل استخدام يده مرة أخرى. لم يتمكن الأطباء من إصلاح إصابة الحبل الشوكي لإيان بوركهارت. لذلك توصل المهندسون إلى طريقة للتغلب عليها.
يستخدم نظام “الالتفاف العصبي” الخاص بهم غرسة دماغية لتسجيل الإشارات الكهربائية المتولدة عندما يحاول بوركهارت تحريك إحدى يديه المشلولة. يتم فك تشفير هذه الإشارات بواسطة جهاز كمبيوتر وتوجيهها إلى غلاف إلكتروني يحفز عضلات الساعد في بوركهارت بأنماط دقيقة. تبدو النتيجة بسيطة وطبيعية بشكل مدهش: عندما يفكر بوركهارت في التقاط زجاجة، يلتقط الزجاجة. عندما يفكر في العزف على وتر في Guitar Hero، فإنه يعزف على الوتر.
ومع ذلك، فإن التكنولوجيا في العمل بعيدة كل البعد عن البساطة. هذا الإنجاز، الذي تم الإبلاغ عنه اليوم في Nature، يتوج عقدًا من البحث حول واجهات الدماغ والحاسوب (BCIs) للأشخاص المصابين بالشلل. في عام 2006، استخدم رجل مصاب بالشلل الرباعي غرسة دماغية للتحكم في حركات مؤشر الكمبيوتر؛ بعد ست سنوات، استخدمت امرأة مصابة بشلل رباعي غرسة للتحكم في ذراع آلية، والتي كانت تستخدم بشكل مستقل لإحضار مشروب قهوة إلى شفتيها. في غضون ذلك، درس باحثون آخرون طرقًا مختلفة للتحكم في الأطراف المشلولة بالكهرباء، باستخدام أقطاب كهربائية محفزة لحث العضلات على العمل.
يمثل إعلان اليوم المرة الأولى التي يتم فيها الجمع بين هاتين التقنيتين لمساعدة إنسان واحد. لقد أظهرت BCIs سابقًا تقدمًا “في التحكم في المؤشر، واستخدام الكمبيوتر، والقدرة على تشغيل الأجهزة، وحتى الأذرع الاصطناعية”، كما يقول تشاد بوتون، وهو مؤلف مشارك في الدراسة يبحث في الطب الحيوي الإلكتروني في معهد فينشتاين في لونغ آيلاند. لكن لم يستعد أحد أي حركة لذراعه. قررنا أن ننتقل إلى المستوى التالي “.
كسر بوركهارت رقبته خلال إجازة على الشاطئ في عام 2010 عندما دفعته موجة المحيط إلى أسفل في شريط رملي، مما أدى إلى كسر رقبته. أصيب بالشلل من فقرات عنق الرحم الخامسة إلى أسفل، مما يعني أنه كان بإمكانه تحريك رأسه ورقبته وأعلى ذراعيه، لكن لا شيء آخر. قال في مؤتمر صحفي أمس: “بالنسبة لي، الجلوس على كرسي متحرك وعدم القدرة على المشي ليس هو الشيء الأكبر” . ” إنه نقص الاستقلالية لدي ، لأنني يجب أن أعتمد على أشخاص آخرين لأشياء كثيرة.”
من خلال إثبات أن Burkhart يمكنه استخدام الالتفافية العصبية للحركات الوظيفية مثل تمرير بطاقة الائتمان، يقدم الباحثون الأمل للأشخاص المشلولين الذين يسعون إلى تجديد الاستقلال الذاتي. في الوقت الحالي، لا يمكن استخدام النظام التجريبي إلا في المختبر. لكن الهدف طويل المدى هو بناء نظام آمن وبسيط بما يكفي ليستخدمه الناس في المنزل.
إليك كيفية عمل الجسر العصبي. تسجل مجموعة الغرسة المكونة من 96 قطبًا كهربائيًا النشاط الكهربائي عندما “تشتعل” خلايا الدماغ في جزء معين من القشرة الحركية لبوركهارت، والتي تنشط عندما يتخيل حركات اليد. لكن فهم البيانات من الغرسة مهمة صعبة للغاية. يقيس كل من الـ 96 قطبًا النشاط 30000 مرة في الثانية، لذلك هناك قدر كبير من الضوضاء التي تحجب الإشارة المنفصلة التي تعني، على سبيل المثال، “ثني الإبهام”.
حضر بوركهارت ما يصل إلى ثلاث جلسات أسبوعيًا لمدة 15 أسبوعًا لتدريب النظام على فهم إشارات دماغه. أولاً ، كان يشاهد يدًا متحركة على شاشة الكمبيوتر وهي تُثني إبهامها، وكان يتخيل القيام بهذه الحركة أثناء تسجيل الغرسة نشاط الخلايا العصبية. بمرور الوقت، اكتشفت خوارزمية التعلم الآلي أي نمط من النشاط يتوافق مع ثني الإبهام.
الآن بعد أن تعرف النظام على الإشارة ، يمكنه توليد نمط من النبضات الكهربائية، ومحاكاة النبضات التي يرسلها الدماغ عادةً إلى الحبل الشوكي غير التالف ومن خلال الأعصاب. تذهب النبضات إلى الكم الموجود على ساعد بوركهارت الذي يتكون من 130 قطبًا كهربائيًا، والتي تحفز عضلات معينة على ثني الإبهام. أجرى الباحثون نفس العملية للعديد من حركات أصابعه ويده ورسغه.
بينما تقوم مجموعات بحثية أخرى بتجربة لف الأقطاب الكهربائية المزروعة حول الأعصاب نفسها لتحفيز العضلات، اختار فريق بوتون استخدام أقطاب كهربائية غير جراحية لتحفيز العضلات عبر الجلد. يقول بوتون إنهم اتخذوا هذا القرار لإبقاء النظام بسيطًا وجعله قابلاً للتكيف مع الاستخدام المنزلي. ويقول إن غلاف الإلكترود “يمكن أن يكون جزءًا من قميص في المستقبل”.
ومع ذلك، لا يزال صنع نموذج للاستخدام المنزلي للتجاوز العصبي يتطلب بعض القفزات التقنية الكبيرة. لاستخدام النظام الحالي، يجب على Burkhart توصيل كابل بـ “القاعدة” الصغيرة التي تخرج من جمجمته. يريد الباحثون تطوير طريقة لإرسال بيانات الغرسة لاسلكيًا إلى جهاز كمبيوتر، لكن الكم الهائل من البيانات التي يتم نقلها يمثل مشكلة. يقول نيك أنيتا، وهو مؤلف مشارك في دراسة من معهد باتيل التذكاري في كولومبوس بولاية أوهايو: “يأتي حوالي 1 جيجا بايت من البيانات من دماغ إيان كل ثلاث دقائق”.
يعمل الباحثون أيضًا على الحفاظ على وظيفة الزرع على مدار سنوات عديدة. يعامله الدماغ كجسم غريب ويمكنه “تغليف” الأقطاب الكهربائية كإجراء وقائي، مما يمنعها من تسجيل الإشارات من الخلايا العصبية. يقول العلماء إنه في غضون عامين منذ أن تلقى بوركهارت عملية الزرع، توقف بعض من 96 قطبًا كهربائيًا عن نقل البيانات. لكن ما زال هناك ما يكفي من العمل للحفاظ على عمل النظام.
ولكن بعد أن وصل إلى هذا الحد، فإن فريق البحث متفائل بأنه سيتم التغلب على التحديات التالية في الوقت المناسب. وعلى الرغم من كل البراعة التكنولوجية المطلوبة، يقول بوركهارت إن الجزء الأكثر إثارة هو كيف يمكن للعتاد أن يتلاشى في نهاية المطاف في خلفية حياته. يضيف بوركهارت أن استعادة استخدام ذراعه الطبيعية تروق له أكثر بكثير من استخدام BCI للتحكم في ذراع اصطناعية آلية. يقول: “إنها تتيح لي أن أعمل كعضو عادي في المجتمع تقريبًا ، وألا أعامل كرجل آلي.”
