Patient zeigt neue Geschicklichkeit mit einem gedankengesteuerten Roboterarm

Eine Frau, die unterhalb des Nackens vollständig gelähmt ist, hat dank der bisher fortschrittlichsten Gehirn-Computer-Schnittstelle für die Bedienung eines Roboterarms die Fähigkeit zurückerlangt, die Welt um sie herum auszustrecken und mit ihr zu interagieren.

Im Februar implantierten Chirurgen zwei vier Millimeter mal vier Millimeter große Elektrodenanordnungen in den motorischen Kortex des Teilnehmers, die Region des Gehirns, die Bewegungen auslöst. Jeder Chip hat 96 Elektroden und ist durch den Schädel mit einem Computer verbunden, der ihre Gedanken in Signale für den Roboterarm übersetzt. Über die Arbeit von Forschern der University of Pittsburgh wird in der neuesten Ausgabe von . berichtet Die Lanzette .

Bewusstseinskontrolle: Jan Scheuermann fährt mit ihren Gedanken, die von Elektroden in ihrem Gehirn aufgezeichnet und dann von einem Computer interpretiert werden, eine robotische Gliedmaßenprothese.



Die Arbeit ist der neueste Fortschritt, um zu zeigen, wie gehirngesteuerte Schnittstellentechnologie Tetraplegiker wieder in Bewegung bringen kann. Im Mai dieses Jahres beschrieben Forscher der Brown University, wie eine gelähmte Patientin ein Roboterglied verwenden könnte, um grundlegende Aufgaben zu erledigen, darunter sich selbst einen Kaffee zu trinken (siehe Brain Chip hilft Tetraplegikern, Roboterarme mit ihren Gedanken zu bewegen). Die Teilnehmerin der neuen Studie hat doppelt so viele Elektroden im Gehirn wie die Frau in der Brown-Studie und kann mit ihrem Roboterglied komplexere Handbewegungen demonstrieren.

Wir reproduzieren eine natürlichere und realistischere Bewegung von Arm und Hand, sagt Andrew Schwartz , Neurowissenschaftler an der University of Pittsburgh und leitender Autor der Studie.

Einige Experten warnen jedoch, dass es schwierig sei, aus einem Einzelfall Rückschlüsse auf das Potenzial der Technologie zu ziehen.

Platzhalterbild für Miguel Nicolelis , ein Forscher an der Schnittstelle zwischen Gehirn und Maschine an der Duke University, stellt fest, dass die Aufzeichnung von mehr Neuronen es ermöglicht, die Präzision und Komplexität der Bewegungen verbundener Geräte zu verbessern. Er fügt jedoch hinzu, dass es schwer zu sagen ist, von wie vielen Neuronen das Pittsburgh-Team tatsächlich aufzeichnete. Es gibt wenig Dokumentation des Gehirnsignals, sagt Nicolelis von der Lanzette Papier, das die Arbeit beschreibt. Es wäre wirklich toll, wenn sie die 200-Neuronen-Marke erreicht hätten, aber dafür scheint es keine Dokumentation zu geben, sagt er.

Der Lanzette Studie beschreibt den Fortschritt der Frau, als sie den Roboterarm über 13 Wochen operierte. Nachdem die Elektroden in ihr Gehirn implantiert worden waren, begann sie ihr Training, indem sie die Bewegung des Arms beobachtete und sich vorstellte, sie würde ihn kontrollieren. Währenddessen zeichnete der Computer neuronale Aktivitäten in ihrem motorischen Kortex auf, und diese Informationen wurden verwendet, um ihre Absichten besser in Bewegungen des Roboterarms zu entschlüsseln. Dann haben wir angefangen, ihr etwas Kontrolle zu geben, sagt Jennifer Collinger , ein biomedizinischer Ingenieur in Pittsburgh und der Erstautor der Studie. Das erzeugt eine Rückkopplungsschleife – sie kann sehen, ob das, was sie denkt, den Arm in die richtige Richtung bewegt oder nicht. Schließlich nahmen wir diese Stützräder ab und gaben ihr die volle Kontrolle.

Am zweiten Tag der Anwendung war die Teilnehmerin in der Lage, den Arm selbstständig in drei Dimensionen zu bewegen. Mit etwas Übung konnte sie Würfel und andere Gegenstände um einen Tisch herum bewegen und sogar einen zwei Pfund schweren Stein aufheben. Die Frau arbeitet weiterhin mit den Forschern zusammen. Vor kurzem konnte sie sich ein Stück Schokolade in die Hand nehmen und sich selbst ernähren, sagt Schwartz.

Wie ein Rückenmark hat der in der Studie verwendete Roboterarm eine gewisse Fähigkeit, seine eigenen Bewegungen zu kontrollieren. Jahrelange Studien an Primaten darüber, wie der motorische Kortex Handbewegungen koordiniert, halfen dem Team, die Technologie zu entwickeln, die die Gedanken der Teilnehmer in flüssigere und natürlichere Bewegungen umsetzen könnte, sagt Gregory Courtine , Neurowissenschaftler an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne in der Schweiz.

Wenn sich Tiere bewegen, folgen sie bestimmten Regeln, und es stellt sich heraus, dass wir dies in den neuronalen Signalen wahrnehmen können, die wir vom motorischen Kortex aufzeichnen, sagt Schwartz.

Der Arm, der im Rahmen eines Vertrags der Defense Advanced Research Projects Agency entwickelt wurde, verfügt über 17 Motoren, die 26 Gelenke in dem fortschrittlichsten künstlichen Gliedmaßensystem der Welt steuern. Der Arm wurde entwickelt, um eine menschliche Gliedmaße nachzuahmen, sagt Michael McLoughlin, Programmmanager für die Modulares prothetisches Gliedmaßenprojekt , das seinen Sitz an der Johns Hopkins University in Maryland hat. Das Johns Hopkins-Team hat sechs der robotischen Gliedmaßen gebaut, die von verschiedenen Forschungsgruppen in den USA verwendet werden, sagt McLoughlin.

Ein entscheidender nächster Schritt für das Pittsburgh-Team wird die Integration von sensorischem Feedback in die Prothese sein. Laut McLoughlin verfügt der Arm über 100 Sensoren, die Vibrationen, Druck, Temperatur und mehr erkennen können. Außerdem arbeitet das Team an der Entwicklung einer drahtlosen Version des Brain-Machine-Interfaces, damit den Teilnehmern keine Elektronik aus dem Kopf ragen muss.

Die Forscher hoffen auch, mehr Teilnehmer für die Arbeit mit der Prothese zu gewinnen und die Technologie weiter zu verbessern, damit die Laborkuriosität eines Tages therapeutisch genutzt werden kann, sagt Schwartz.

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