BrainGate2 – tetraplegici vládnou robotické ruce

BrainGate patří k zařízením, pro která se obvykle používá označení „brain‑machine interface“ (BMI), popřípadě „brain‑computer interface“ (BCI). Jeho základní součástí je systém elektrod, který je určen pro voperování do vybraného motorického centra mozku. Projekt BrainGate nedávno úspěšně prošel druhou etapou, o jejíchž výsledcích referuje tým Leigha Hochberga z Harvard Medical School na stránkách prestižního vědeckého týdeníku Nature.

BrainGate využívá 96kanálovou elektrodu, která snímá aktivitu neuronů a signál odvádí do dekódovací jednotky. Tam se aktivita neuronů transformuje do signálu pro elektronické zařízení, např. počítač nebo robotickou ruku. Pacient si představuje pohybovou aktivitu a tu za něj vykonává ovládané zařízení.

Současný BrainGate těží z desetiletí zkušeností několika generací neurologů a techniků. První snímání aktivity neuronů z motorického kortexu bylo provedeno u opic už v roce 1966. Elektrody systému BrainGate byly použity k záznamu aktivity neuronů v roce 1994. V roce 2000 bylo poprvé odzkoušeno na opicích ovládání robotické ruky pomocí BMI. Za přelomový je považován experiment se systémem BrainGate, který byl proveden v roce 2004 a publikován byl v roce 2006. Tetraplegickému pacientovi byly do motorického centra pro ovládání pohybu pravé ruky voperovány elektrody a pacient pak pomocí BCI ovládal kursor počítače. Mohl například psát a odesílat e‑mailové zprávy.

Po ověřovacích pokusech na opicích, jejichž výsledky byly publikovány v roce 2008, přistoupil Leigh Hochberg a jeho tým k experimentu, v němž BrainGate umožnil tetraplegickým pacientům ovládat robotickou ruku. Klíčovou otázkou experimentu bylo, zda si motorická centra i po dlouhé době udrží u tetraplegiků takovou míru funkčnosti, která dovolí pacientům ovládat složitý trojrozměrný pohyb robotické ruky. Ukázalo se, že i po patnácti letech ochrnutí jsou tato centra funkční. Stačí, aby si pacient představil pohyb své vlastní ruky, a příslušné motorické centrum vykazuje odpovídající aktivitu. Po vyladění dekodéru nervové aktivity snímané v motorickém centru bylo možné přejít k pokusům, v nichž dva tetraplegičtí pacienti zkoušeli ovládat pohyb robotických rukou dvou odlišných konstrukcí.

Rychlost i přesnost pohybů robotické ruky ovládané tetraplegiky zdaleka nedosahovala parametrů pohybu ruky zdravého člověka. Pacienti však byli po intenzivním tréninku s to dosáhnout robotickou rukou na pěnový míček až v 95 % pokusů. Ve dvou třetinách pokusů dokázali pacienti míček umělou končetinou zmáčknout. Jeden z dobrovolníků zvládl i ryze praktický úkol. Sáhl si robotickou rukou pro láhev s kávou, přiblížil si ji k ústům a naklonil ji tak, aby se mohl napít z hadičky spojené s láhví.

V komentáři pro Nature oceňuje britský neurolog Andrew Jackson z Newcastle University fakt, že jeden z pacientů má elektrody BrainGate voperované do mozku už pět let. Navzdory všem pokusům o neinvazivní způsob snímání aktivity neuronů v mozku (např. pomocí EEG) zůstávají elektrody umístěné přímo v mozku zdrojem nejkvalitnějšího signálu pro BMI. Vedle rizika provázejícího samotnou implantaci elektrod je funkce takových systémů ohrožena i „zajizvením“ nervové tkáně v okolí elektrod, protože pak dochází k prudkému zhoršení kvality signálu. Také Hochberg a jeho tým popisují s postupem času určitý pokles kvality signálu, ale celkově je systém i po pěti letech stále plně funkční. Jackson v této souvislosti zdůrazňuje zásadní význam neocenitelných dat získaných v předchozím i stávajícím výzkumu na primátech. Britský neurolog připomíná, že současná vlna odporu proti experimentům na primátech může vývoj tohoto odvětví medicíny vážně ohrozit.

Budoucnost podle Jacksona nepatří zřejmě robotickým končetinám. Konečným cílem podobných projektů je obnova hybnosti pacientových vlastních končetin. Technologie vyvinuté pro projekt BrainGate a zkušenosti, které byly v průběhu projektu získány, jsou pro dosažení tohoto konečného cíle opět nenahraditelné. Přesto je nutný další základní výzkum. Nové systémy budou muset vyřešit kromě jiného i velmi důležitou otázku zpětnovazebné kontroly pohybu a obnovit u pacientů např. vnímání mechanických či tepelných podnětů z takto ovládané končetiny.

Jako jednu z významných hrozeb pro dosažení ambiciózních cílů vývoje BCI a BMI nepovažuje Jackson ani tak problémy biomedicínské či technické. Neméně významné budou obtíže ekonomického rázu. Americká společnost Cyberkinetics Neurotechnology Systems, která stála u zrodu systému BrainGate, ukončila v roce 2009 činnost. Naštěstí mohly experimenty a další vývoj tohoto BMI pokračovat na půdě amerických univerzit a v bostonské Massachusetts General Hospital.

Medical Tribune     Prof. Ing. Jaroslav Petr, DrSc.

Zdroj: Medical Tribune