En illustration, der viser elektrodeanordningen på forsøgspersonens hjerne, herunder en repræsentation af, hvilken del af hjernen der styrer hver finger.

Kredit: Guy Hotson

Fysikere og biomedicinske ingeniører fra Johns Hopkins rapporterer, hvad de mener er det første vellykkede forsøg på at bevæge fingre individuelt og uafhængigt af hinanden ved hjælp af en tankekontrolleret kunstig “arm” til at styre bevægelsen.

Den proof-of-concept bedrift, der er beskrevet online i denne uge i Journal of Neural Engineering, repræsenterer et potentielt fremskridt i teknologier til at genoprette raffinerede håndfunktioner for dem, der har mistet armene på grund af skader eller sygdom, siger forskerne. Den unge mand, som eksperimentet blev udført på, manglede ikke en arm eller hånd, men han var udstyret med en anordning, der i det væsentlige udnyttede en hjernekortlægningsprocedure til at omgå kontrollen med hans egen arm og hånd.

“Vi mener, at det er første gang, at en person, der bruger en hjernekontrolleret protese, straks har udført individuelle fingerbevægelser uden omfattende træning,” siger seniorforfatter Nathan Crone, M.D., professor i neurologi ved Johns Hopkins University School of Medicine. “Denne teknologi går videre end tilgængelige proteser, hvor de kunstige fingre eller fingre bevæger sig som en enkelt enhed for at lave en grebsbevægelse, som den, der bruges til at gribe en tennisbold.”

For eksperimentet rekrutterede forskerholdet en ung mand med epilepsi, som allerede skulle have gennemgået en hjernekortlægning for at finde frem til oprindelsen af hans anfald.

Mens hjerneoptagelserne blev foretaget ved hjælp af elektroder, der er kirurgisk implanteret af kliniske årsager, styrer signalerne også en modulopbygget protese, der er udviklet af Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory.

Før de tilsluttede protesen, kortlagde og sporede forskerne de specifikke dele af forsøgspersonens hjerne, der var ansvarlige for at bevæge hver finger, og programmerede derefter protesen til at bevæge den tilsvarende finger.

Først placerede patientens neurokirurg et array af 128 elektrodesensorer – alle på et enkelt rektangulært ark film på størrelse med et kreditkort – på den del af mandens hjerne, der normalt styrer hånd- og armbevægelser. Hver sensor målte en cirkel af hjernevæv på 1 millimeter i diameter.

Det computerprogram, som Johns Hopkins-holdet udviklede, fik manden til at bevæge enkelte fingre på kommando og registrerede, hvilke dele af hjernen der “lyste op”, når hver sensor registrerede et elektrisk signal.

Ud over at indsamle data om de dele af hjernen, der er involveret i motoriske bevægelser, målte forskerne også den elektriske hjerneaktivitet, der er involveret i taktil fornemmelse. For at gøre dette blev forsøgspersonen udstyret med en handske med små, vibrerende buzzere i fingerspidserne, som gik af individuelt i hver finger. Forskerne målte den resulterende elektriske aktivitet i hjernen for hver fingerforbindelse.

Når de motoriske og sensoriske data var indsamlet, programmerede forskerne armprotesen til at bevæge de tilsvarende fingre baseret på, hvilken del af hjernen der var aktiv. Forskerne tændte for armprotesen, som var koblet til patienten via hjerneelektroderne, og bad forsøgspersonen om at “tænke” på at bevæge tommelfinger, pegefinger, langfinger, langfinger, ringfinger og lillefinger individuelt. Den elektriske aktivitet, der blev genereret i hjernen, flyttede fingrene.

“De elektroder, der blev brugt til at måle hjerneaktiviteten i denne undersøgelse, gav os en bedre opløsning af et stort område af cortex end noget andet, vi har brugt før, og gav mulighed for en mere præcis rumlig kortlægning i hjernen”, siger Guy Hotson, kandidatstuderende og hovedforfatter på undersøgelsen. “Denne præcision er det, der gjorde det muligt for os at adskille kontrollen af de enkelte fingre.”

I første omgang havde den tankestyrede lem en nøjagtighed på 76 procent. Da forskerne koblede ring- og lillefingeren sammen, steg præcisionen til 88 procent.

“Den del af hjernen, der styrer lillefingeren og ringfingeren, overlapper hinanden, og de fleste mennesker bevæger de to fingre sammen,” siger Crone. “Det giver mening, at koblingen af disse to fingre forbedrede præcisionen.”

Forskerne bemærker, at der ikke var behov for nogen forudgående træning for at opnå denne grad af kontrol, og hele forsøget tog mindre end to timer.

Crone advarer om, at anvendelsen af denne teknologi på dem, der rent faktisk mangler lemmer, stadig er nogle år undervejs og vil være dyrt, da det kræver omfattende kortlægning og computerprogrammering. Ifølge Amputee Coalition har over 100.000 mennesker i USA amputerede hænder eller arme, og de fleste af dem kunne potentielt have gavn af en sådan teknologi.

Der er også David McMullen, Matthew Fifer, William Anderson og Nitish Thakor fra Johns Hopkins Medicine samt Matthew Johannes, Kapil Katyal, Matthew Para, Robert Armiger og Brock Wester fra Johns Hopkins Applied Physics Laboratory.

Denne undersøgelse er finansieret af National Institute of Neurological Disorders and Stroke (bevillingsnummer 1R01NS088606-01).

Denne undersøgelse er finansieret af National Institute of Neurological Disorders and Stroke (grant number 1R01NS088606-01).