Robotkart mozgató idegsejtek

2006.10.28. 14:00

Egyre több kutatás zajlik a lebénult emberek életkörülményeinek javítása érdekében. Ezek a próbálkozások idegrendszerünk bámulatos rugalmasságát, példátlan alkalmazkodó képességét igyekszenek kihasználni: gondolataink elektromos jelekké formálásán keresztül idegsejtjeink képessé válhatnak mechanikai eszközök mozgatására. A Nature összefoglalója a kutatási terület jelenlegi helyzetéről és a közeljövő alkalmazási lehetőségeiről.

Egyelőre két lehetőség kínálkozik a sérült idegrendszer funkciójának visszaállítására. Az egyik az idegsejtek (neuronok) mesterséges regenerálásán keresztül vezethet sikerhez. Ezek a kísérletek azonban többnyire embrionális őssejtek felhasználásával zajlanak, ami - a gyakran hangsúlyozott etikai problémák miatt - sok helyen gátolja az ilyen irányú törekvéseket. A másik megoldás a működésképtelenné vált neuronok mesterséges úton történő "helyettesítése" lehet.

A gondolat, amely mozgósítja az elmét

A sérült idegsejtek szerepének "pótlására" eddig olyan betegek esetében dolgoztak ki kísérleti fázisban lévő megoldásokat, akik valamilyen fertőzés vagy baleset következtében mozgásképtelenné váltak. Bénultságuk oka idegrendszeri károsodás; izmaik állapotában nem következett be változás, vagyis azok megőrizték életképességüket.

Az agykéreg (kortex) meghatározott helyén, az úgynevezett elsődleges (primer) motoros kéregben keletkeznek azok a jelek, amelyek az akaratlagos mozgások szabályozásában játszanak szerepet. A motoros kéreg előtti (praemotoros) és hátsó halántéktáji (posterior parietális) régiók a tervezett mozgási ingerek kialakításáért felelősek, és a motoros rész aktivitására hatnak. Úgy is fogalmazhatunk, hogy instrukciókkal látják el azt. Az imént ismertetett sérülések esetén a betegek elveszítik ezt a motoros irányítást: sérült idegeik mentén az ingerület nem jut ki az agyból. Így, ha például fel szeretnék emelni a kezüket, a mozgató idegek nem kapják meg a megfelelő parancsot a motoros kéregből, ezáltal nem képesek a megfelelő izmokat mozgásra bírni.

Az "idegpótló" eljárások kétféle módon adhatják - legalább részben - vissza az így bénulttá lett emberek szabadságát. A primer motoros, a praemotoros és posterior parietális kérgi agyterületek által kibocsátott jelek rögzítésével és megfelelő átalakításával próbálják megoldani a bénult izmok elektromos ingerlését, vagy mechanikai eszközök - mint például számítógépkurzor, művégtagok vagy éppen tolókocsi - közvetlen irányítását, mozgatását. Ehhez a betegnek annyit kell csupán tennie, hogy - az előbbi példánál maradva - elképzeli, miként emeli fel a kezét. Az egyik végső cél tehát egy olyan technológia kifejlesztése, amely lehetővé teszi a rászorulók számára, hogy pusztán a gondolataik segítségével eszközöket irányítsanak.

Többféle megoldás kínálkozik az agykéreg aktivitásának rögzítésére. Vannak olyan készülékek, amelyek EEG-jeleket, vagyis a kéreg működésével járó elektromos feszültségváltozásokat rögzítenek, beültetést nem igénylő elektródok felhasználásával3. A beültethető változatok mikroelektródok tömegének segítségével az egyéni neuronok aktivitását mérik4-7.

Felmerülhet a kérdés: ha léteznek olyan módszerek, amelyek segítségével kikerülhető a műtéti beavatkozás, miért alkalmaznának implantátumokat, amelyek használatának kivitelezése jóval kockázatosabb? A válasz a jelek felbontásában rejlik. Míg az EEG-felvevők az átlagos neurális aktivitásról szolgáltatnak információt, addig az implantátumok minden egyes mikroelektródja egy, esetleg kis számú idegsejtcsoport működését detektálja. Ez jóval összetettebb információt nyújt, így valószínűleg a jövőbeli fejlesztések ebbe az irányba tolódnak majd.

Az első figyelemre méltó eredmények

Elsőként Hochberg és munkatársai1 értek el áttörő eredményeket implantálható "pótlások" beültetésével. Az eljárás kivitelezésére egy az agy-számítógép interface-ek közé tartozó, mikroelektródok százaiból felépülő implantátumot alkalmaztak. Az ilyen típusú szerkezetek kapcsolatot létesítenek az agy megfelelő régiója - Hochbergék esetében a beteg primer motoros kérge - és egy számítógép között. Ez a kapcsolat úgy jellemezhető leginkább, mint a természetes reflexív hiányzó láncszemének mesterséges pótlása. A lényegi különbség tulajdonképpen annyi, hogy az agyból kilépő "parancs" az adott végtag helyett a számítógépbe fut be.

A kutatók fáradhatatlan munkájának köszönhetően egy súlyos baleset során mozgásképtelenné vált ember számára a fenti megoldás lehetővé tette egy számítógép egerének használatát és egy robotkar kezdetleges mozgatását8. Bár hasonló próbálkozásokról ezt megelőzően is hallhattunk9, Hochberg és kollégái számoltak be a legnagyobb előrelépésekről.

A kísérlet kivitelezéséhez a beteg agyának motoros kérgi központjait kellett először megvizsgálni. Ezek működése nélkül - a tudomány jelenlegi állása szerint - nincs esély a mozgató funkció semminemű megjelenítésére. Az ellenőrzést a primer motoros kortex spontán aktivitásának mérésével kezdték. Ezután a pácienst különböző mozdulatok elképzelésére kérték fel. Azt tapasztalták, hogy az agyterület által folyamatosan kibocsátott jelek az instrukciók hatására minden esetben módosultak, azaz - nagy valószínűséggel - a motoros központot nem érte károsodás. (A vizsgálat elvégzését az is indokolta, hogy a baleset három évvel a beavatkozást megelőzően történt, s ezalatt az idő alatt a szóban forgó kérgi régió nem láthatta el eredeti funkcióját.)

Az EEG-rendszerekkel ellentétben ez a technika nem igényel fárasztó és hosszadalmas kalibrálási procedúrát a beteg részéről. Csupán el kell képzelnie, hogy saját kezűleg mozgatja például a számítógép kurzorát. Visszatérve Hochbergék vizsgálatához, kísérletük alanya a kalibrációt követően a kurzor mozgatásán kívül e-mail olvasásra és egyszerűbb számítógépes játékok kezelésére is azonnal képessé vált. A tévé és más, hasonlóan könnyen kezelhető robotikus készülékek használatát is gyorsan megtanulta.

Nélkülözhetetlen állatkísérletek

Az állatkísérleteket sajnos lehetetlen nélkülözni, akármilyen biológiai jellegű kutatásról legyen is szó. Az idegrendszerrel kapcsolatban a legideálisabb állatmodell a csimpánz, hiszen idegrendszere nagymértékben hasonlít az emberére.

Santhanam és kollégái2 majmok agykérgének praemotoros részét vizsgálják. Az itt kialakuló idegi mintázatok alapján egy számítógépes algoritmussal keresik azokat a jeleket, amelyekkel megadható egy tárgy térbeli helyzete. Ez valójában annak a természetes folyamatnak az imitálása, amely során agyunkban kialakul például egy mozdulat irányának "képzete". Előzetesen rögzített mintajelek segítségével optimalizálták az időt és a lehetséges célok számát. Így körülbelül kétszázötven milliszekundum idő alatt már sikerült pontosan beazonosítaniuk az adott célt. Ez hozzávetőlegesen 6,5 bit információ/másodperc teljesítménnyel ér fel, ami egy ember esetén például tizenöt szó begépelését jelenti percenként. Ez a technika sebességét tekintve az összes eddig létező hasonló módszert felülmúlja.

Santhanamék vizsgálata az állatok vizuális ingerekre adandó tanult válaszán alapul. A jövőben a tudósok szeretnék kiterjeszteni kutatásaikat emberekre is, ám ezzel kapcsolatban még sok nehézséget kell áthidalniuk.

A klinikai alkalmazás feltételei

A fent vázolt kutatások jól szemléltetik, hogy néhány esetben a sérült idegsejtek szerepe mesterséges eszközök segítségével bizonyos fokig helyettesíthető. Nagyon sok ágyhoz vagy tolószékhez kötött beteg nyerhetné vissza egy szabadabb élet reményét, ha ezek a szerkezetek elérhetőek lennének a klinikai gyakorlatban. Megkönnyítené számukra a külvilággal folytatott kommunikációt, és újra képessé tehetné őket egy sor olyan dolog (például televízió, számítógép stb.) használatára, amelytől egy baleset vagy egy fertőzés megfosztotta őket. Egyelőre azonban csak a kutatásokban résztvevők férhetnek hozzá ezekhez az alkalmazásokhoz. A klinikai megjelenésig nagyon sok még a tennivaló.

A legalapvetőbb gondot az implantátumok életideje okozza. Sajnos nem lehet pontosan tudni, hogy ezek a borzasztóan érzékeny mikroelektródok mennyi ideig használhatóak hatékonyan. A rászorulók sok esetben fiatalok, akiknek évtizedekig szükségük lehet rájuk.

Bár eddig nem esett szó róla, de a beültetett elektródokat nem úgy kell elképzelni, mint egy parányi lapocskát a bőr alatt. Huzalok futnak belőlük egy számítógépbe a bőrön keresztül. Ez nagyon nagy odafigyelést igényel, hiszen tulajdonképpen állandóan fenn áll a fertőződés kockázata. A huzalokra pedig szükség van, mert mindennemű adatfeldolgozást a számítógép végez. Egy modern implantátum esetén minimálisra kellene csökkenteni az adatátvitelt, amihez a feldolgozás egy részét magának a beültetett rendszernek kéne elvégeznie. A probléma nem megoldhatatlan, de biológiai alkalmazás lévén sok tényezőt kell figyelembe venni egy ilyen típusú készülék megtervezésénél.

Az úgynevezett motoros szándék - vagyis az eltervezett mozgások során keletkező idegi jelek lefordítása egy számítógép "nyelvére" - óriási lehetőséget rejt tehát a mozgásképtelen emberek számára. A technikai nehézségek leküzdése és az elmaradhatatlan fejlesztések segítségével egy napon talán visszakaphatják egy teljesebb értékű élet lehetőségét. Ehhez pusztán annyit kell majd tenniük, hogy elképzelik, mit is fognak csinálni a következő percekben.

A cikk forrásaként a Nature Reviews Neuroscience cikke szolgált (Mind over machine, 682-683, 2006. szeptember).

Az eredeti cikkben használt hivatkozások:

1. Hochberg, L. R. et al. Nature 442, 164-171 (2006).
2. Santhanam, G. , Ryu, S. I. , Yu, B. M. , Afshar, A. & Shenoy, K. V. Nature 442, 195-198 (2006).
3. Wolpaw, J. R. & McFarland, D. J. Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 17849-17854 (2004).
4. Masallam, S. , Corneil, B. D. , Gregor, B. , Scherberger, H. & Andersen, R. A. Science 305, 162-163 (2004).
5. Wessberg, J. et al. Nature 408, 361-365 (2000).
6. Serruya, M. D. , Hatsopoulos, N. G. , Paninski, L. , Fellows, M. R. & Donoghue, J. P. Nature 416, 141-142 (2002).
7. Taylor, D. M. , Tillery, S. I. & Schwartz, A. B. Science 296, 1817-1818 (2002).
8. http://www.nature.com/nature/journal/v442/n7099/suppinfo/nature04970.html
9. Kennedy, P. R. , Bakay, R. A. , Moore, M. M. , Adams, K. & Goldwaithe, J. IEEE Trans. Rehabil. Eng. 8, 198-202 (2000).
10. Fetz, E. E. & Finocchio, D. V. Exp. Brain Res. 23, 217-240 (1975).
11. Clark, G. M. Cochlear Implants Int. 1, 1-17 (2000).

KAPCSOLÓDÓ CIKK