Um implante cerebral que deixa os macacos paralisados ​​andar

Os cientistas usaram uma "interface cérebro-espinhal" sem fio para contornar as lesões da medula espinhal em um par de macacos rhesus, restaurando o movimento intencional da caminhada para uma perna temporariamente paralisada.

Pesquisadores dizem que esta é a primeira vez que uma prótese neural é usada para restaurar o movimento de caminhar diretamente para as pernas de primatas não humanos.

"O sistema que desenvolvemos utiliza sinais gravados a partir do córtex motor do cérebro para desencadear a estimulação elétrica coordenada dos nervos da coluna que são responsáveis ​​pela locomoção", diz David Borton, professor assistente de engenharia na Brown University e co-autor principal. do estudo. "Com o sistema ligado, os animais em nosso estudo tinham uma locomoção quase normal".

O trabalho poderia ajudar no desenvolvimento de um sistema similar projetado para humanos que tiveram lesões na medula espinhal.

Restabelecer comunicação

"Há evidências que sugerem que um sistema de estimulação espinhal controlado pelo cérebro pode melhorar a reabilitação após uma lesão na medula espinhal", diz Borton. "Este é um passo para testar ainda mais essa possibilidade."

Grégoire Courtine, professor da École Polytechnique Federale Lausanne (EPFL) que liderou a colaboração, iniciou ensaios clínicos na Suíça para testar a parte da coluna da interface. Ele adverte: "Há muitos desafios pela frente e pode levar vários anos até que todos os componentes dessa intervenção possam ser testados em pessoas."


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Caminhar é possível devido a uma interação complexa entre os neurônios no cérebro e na medula espinhal. Sinais elétricos originados no córtex motor do cérebro viajam até a região lombar na medula espinhal inferior, onde ativam neurônios motores que coordenam o movimento dos músculos responsáveis ​​por estender e flexionar a perna.

A lesão na parte superior da coluna pode interromper a comunicação entre o cérebro e a medula espinhal. Tanto o córtex motor quanto os neurônios espinhais podem ser totalmente funcionais, mas são incapazes de coordenar sua atividade. O objetivo do estudo foi restabelecer algumas dessas comunicações.

A interface cérebro-espinhal usa um arranjo de eletrodos do tamanho de um comprimido implantado no cérebro para registrar sinais do córtex motor. A tecnologia de sensores foi desenvolvida em parte para uso experimental em humanos pela colaboração BrainGate, uma equipe de pesquisa que inclui Brown, Universidade Case Western Reserve, Hospital Geral de Massachusetts, o Providence VA Medical Center e a Universidade de Stanford.

A tecnologia está sendo usada em testes clínicos piloto em andamento e foi usada anteriormente em estudo liderado pelo neuroengenheiro Brown Leigh Hochberg, no qual pessoas com tetraplegia eram capazes de operar um braço robótico simplesmente pensando no movimento de suas próprias mãos.

Um neurossensor sem fio, desenvolvido no laboratório de neuroengenharia do professor Brown Arto Nurmikko por uma equipe que incluía Borton, envia os sinais coletados pelo chip cerebral sem fio para um computador que os decodifica e os envia sem fio de volta para um estimulador elétrico espinhal implantado na coluna lombar. coluna, abaixo da área da lesão. Essa estimulação elétrica, fornecida em padrões coordenados pelo cérebro decodificado, sinaliza para os nervos espinhais que controlam a locomoção.

Para calibrar a decodificação dos sinais cerebrais, os pesquisadores implantaram o sensor cerebral e o transmissor sem fio em macacos saudáveis. Os sinais transmitidos pelo sensor poderiam então ser mapeados nos movimentos das pernas dos animais. Eles mostraram que o decodificador foi capaz de prever com precisão os estados cerebrais associados à extensão e flexão dos músculos das pernas.

Sem fio é crucial

A capacidade de transmitir sinais cerebrais sem fio foi fundamental para este trabalho, diz Borton. Sistemas com sensores cerebrais com fio limitam a liberdade de movimento, o que, por sua vez, limita a informação que os pesquisadores são capazes de coletar sobre a locomoção.

"Fazer isso sem fio nos permite mapear a atividade neural em contextos normais e durante o comportamento natural", diz Borton. "Se realmente procurarmos neuroprostéticos que possam algum dia ser implantados para ajudar pacientes humanos durante as atividades da vida diária, essas tecnologias de gravação irrestritas serão fundamentais".

Para o trabalho atual, publicado em NaturezaOs pesquisadores combinaram sua compreensão de como os sinais cerebrais influenciam a locomoção com os mapas espinhais, desenvolvidos pelo laboratório de Courtine na EPFL, que identificou os pontos nevrálgicos na coluna responsáveis ​​pelo controle locomotor. Isso permitiu que a equipe identificasse os circuitos neurais que deveriam ser estimulados pelo implante vertebral.

Com essas peças no lugar, os pesquisadores testaram o sistema inteiro em dois macacos com lesões que atingiram metade da medula espinhal em sua coluna torácica. Macacos com este tipo de lesão geralmente recuperam o controle funcional da perna afetada durante um mês ou mais, dizem os pesquisadores. A equipe testou seu sistema nas semanas seguintes à lesão, quando ainda não havia controle volitivo sobre a perna afetada.

As descobertas mostram que com o sistema ligado, os animais começaram a mover suas pernas espontaneamente enquanto caminhavam em uma esteira. Comparações cinemáticas com controles saudáveis ​​mostraram que os macacos lesionados, com o auxílio de estimulação controlada pelo cérebro, foram capazes de produzir padrões locomotores quase normais.

Embora demonstrar que o sistema funciona em um primata não-humano é um passo importante, os pesquisadores enfatizaram que muito mais trabalho deve ser feito para começar a testar o sistema em seres humanos. Eles também apontaram várias limitações no estudo.

Por exemplo, enquanto o sistema usado neste estudo retransmitia sinais do cérebro para a coluna, ele não tem a capacidade de devolver informações sensoriais ao cérebro. A equipe também não conseguiu testar quanta pressão os animais conseguiram aplicar na perna afetada. Embora estivesse claro que o membro estava tendo algum peso, não ficou claro com esse trabalho quanto.

“Em um estudo translacional completo, gostaríamos de fazer mais quantificação sobre como o animal é equilibrado durante a caminhada e medir as forças que eles podem aplicar”, diz Borton.

Apesar das limitações, a pesquisa estabelece o cenário para futuros estudos em primatas e, em algum momento, potencialmente como uma ajuda de reabilitação em humanos.

"Há um ditado na neurociência que os circuitos que disparam juntos", diz Borton. “A ideia aqui é que ao envolver o cérebro e a medula espinhal juntos, podemos melhorar o crescimento dos circuitos durante a reabilitação. Esse é um dos principais objetivos deste trabalho e um objetivo deste campo em geral. ”

O financiamento veio do Sétimo Programa-Quadro da Comunidade Europeia, da International Foundation for Research in Paraplegia Starting Grant do European Research Council, do Wyss Centre in Geneva Marie Curie Fellowship, Marie Curie COFUND EPFL bolsas, Medtronic Morton Cure Paralysis Fund, NanoTera.ch Programa, Centro Nacional de Competência em Pesquisa em Robótica Programa Sinergia, Cooperação Sino-Suíça em Ciência e Tecnologia e Fundação Nacional da Ciência da Suíça.

Fonte: Universidade Brown

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