Při chůzi mozek posílá signály neuronům uloženým v bederní oblasti páteře. Ačkoliv při většině zranění míchy nedochází k přímému poškození těchto nervových buněk, přerušení sestupných drah tuto oblast od mozku prakticky odpojí a dochází tak k permanentní paralýze.
Autoři citované publikace ve své předchozí práci dokázali, že přímá elektrická stimulace lumbosakrálních neuronů je dokáže aktivovat, a obnovit tak u paralyzovaných pacientů schopnost stát a chodit. Technika však vyžadovala množství senzorů, které se snažily „uhodnout“ záměr jejich nositele na základě reziduálního pohybu či kompenzačních strategií. Chůze tak nebyla zcela přirozená a pacienti měli problémy přizpůsobovat se měnícímu se terénu nebo svým volním požadavkům.
Výzkumníci proto navrhli digitálně přemostit přerušenou komunikaci mezi mozkem a míchou s cílem umožnit pacientovi volní kontrolu nad načasováním a intenzitou svalové aktivity dolních končetin. Podařilo se jim bezdrátově integrovat 2 plně implantované systémy, které společně umožňují snímat aktivitu mozkové kůry a stimulovat lumbosakrální míchu v reálném čase (viz obr.).
Obr. Design, technologie a implantace digitálního rozhraní mozek/mícha
Rozhraní bylo implantováno 38letému muži, který před 10 lety utrpěl při cyklistické nehodě neúplné přerušení míchy v oblasti 5. a 6. krčního obratle. Tento pacient se v minulosti zúčastnil 5měsíčního pilotního neurorehabilitačního programu s využitím přímé epidurální stimulace míchy. V rámci této rehabilitace u něj došlo k obnovení schopnosti chůze za pomoci chodítka. Nicméně navzdory denní stimulaci po dobu 3 let nedosahoval dalších pokroků.
Pro implantaci rozhraní bylo s pomocí zobrazovacích technik nejprve nutné s maximální přesností zjistit, které oblasti mozku pacienta nejlépe odpovídají pokusu o pohyb dané končetiny. Při neurochirurgickém zákroku pak byly 2 malé výřezy pacientovy lebeční kosti nahrazeny implantovaným snímacím zařízením. Stimulační implantát v bederní části míchy měl pacient již zavedený z předchozí studie.
Poté vědci přesně zmapovali, které oblasti nitrolebečního implantátu odpovídají volním pohybům končetin pacienta, a nakonfigurovali stimulační implantát, aby na tyto signály správně odpovídal. Připravili jakousi knihovnu cílených stimulačních programů, jež mobilizovaly kyčelní, kolenní a hlezenní klouby na dané straně těla a také umožnily graduální kontrolu nad aktivitou cílových svalových skupin. Vyvinuli rovněž adaptivní algoritmy schopné předpovídat pravděpodobnost úmyslného pohybu kloubu, jeho amplitudu a směr. Epidurální stimulátor dostával signály každých 300 ms.
Výzkumníci pracovali na postupné kalibraci rozhraní a pacient byl postupně schopen chůze o berlích se svobodným rozhodnutím chůzi zahájit, kontinuálně kráčet nebo se zastavit a zůstat stát. Rozhraní mu umožnilo chůzi po nakloněné rovině, do schodů i v členitém terénu. Kvalita signálu a přesnost dekódování nitrolebečního implantátu zůstala nezměněná v průběhu téměř ročního užívání.
Hlavním cílem studie však bylo zjistit, zda rehabilitace s využitím digitálního rozhraní dokáže zlepšit neurologickou úzdravu. Samotný epidurální stimulátor pacientovi navrátil schopnost volní kontroly doposud paralyzovaných svalů a zlepšil jeho schopnost stoje a chůze, v průběhu 3 let užívání však nastalo plateau.
Po implantaci rozhraní pacient prošel 40 rehabilitačními tréninky, které se zaměřovaly zejména na ohybače kyčle, jež byly paralýzou nejvíce postiženy. Při hodnocení s vypnutým rozhraním se zlepšil ve všech hodnocených oblastech kvality stoje a chůze, zlepšila se i senzorická citlivost postižených oblastí. Pacient udával významné zlepšení kvality života, například byl schopen se samostatně pohybovat po své domácnosti, nastupovat a vystupovat z auta nebo si vypít drink s přáteli ve stoje u baru.
(este)
Zdroj: Lorach H., Galvez A., Spagnolo V. et al. Walking naturally after spinal cord injury using a brain-spine interface. Nature 2023; 618 : 126–133, doi: 10.1038/s41586-023-06094-5.
