Een illustratie die de elektrode-array op de hersenen van de proefpersoon toont, inclusief een weergave van welk deel van de hersenen elke vinger bestuurt.

Credit: Guy Hotson

Medici en biomedische ingenieurs van Johns Hopkins melden wat zij denken dat de eerste succesvolle poging is om vingers individueel en onafhankelijk van elkaar te bewegen met behulp van een door de geest bestuurde kunstmatige “arm” om de beweging te besturen.

De proof-of-concept prestatie, deze week online beschreven in het Journal of Neural Engineering, vertegenwoordigt een potentiële vooruitgang in technologieën om de verfijnde handfunctie te herstellen voor mensen die armen hebben verloren door letsel of ziekte, zeggen de onderzoekers. De jonge man op wie het experiment werd uitgevoerd miste geen arm of hand, maar hij was uitgerust met een apparaat dat in wezen gebruik maakte van een brain-mapping procedure om de controle over zijn eigen arm en hand te omzeilen.

“Wij geloven dat dit de eerste keer is dat een persoon die een door de geest gecontroleerde prothese gebruikt onmiddellijk individuele cijferbewegingen heeft uitgevoerd zonder uitgebreide training,” zegt senior auteur Nathan Crone, M.D., professor in de neurologie aan de Johns Hopkins University School of Medicine. “Deze technologie gaat verder dan de beschikbare prothesen, waarbij de kunstmatige vingers als een enkele eenheid bewogen om een grijpende beweging te maken, zoals die wordt gebruikt om een tennisbal te grijpen.”

Voor het experiment wierf het onderzoeksteam een jonge man met epilepsie aan die al gepland was om de hersenen in kaart te brengen om de oorsprong van zijn aanvallen vast te stellen.

Terwijl de hersenopnamen werden gemaakt met elektroden die om klinische redenen chirurgisch waren geïmplanteerd, sturen de signalen ook een modulaire prothese-ledemaat aan, ontwikkeld door het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory.

Voordat de prothese werd aangesloten, brachten de onderzoekers de specifieke delen van de hersenen van de proefpersoon in kaart die verantwoordelijk zijn voor het bewegen van elke vinger, en programmeerden vervolgens de prothese om de corresponderende vinger te bewegen.

Eerst plaatste de neurochirurg van de patiënt een array van 128 elektrodesensoren – allemaal op een enkel rechthoekig vel folie ter grootte van een creditcard – op het deel van de hersenen van de man dat normaal hand- en armbewegingen regelt. Elke sensor mat een cirkel van hersenweefsel met een diameter van 1 millimeter.

Het computerprogramma dat het Johns Hopkins-team ontwikkelde, liet de man op commando individuele vingers bewegen en registreerde welke delen van de hersenen “oplichtten” wanneer elke sensor een elektrisch signaal detecteerde.

Naast het verzamelen van gegevens over de delen van de hersenen die betrokken zijn bij motorische bewegingen, maten de onderzoekers ook de elektrische hersenactiviteit die betrokken is bij de tastzin. Daartoe werd de proefpersoon uitgerust met een handschoen met kleine, trillende zoemers in de vingertoppen, die in elke vinger afzonderlijk afgingen. De onderzoekers maten de resulterende elektrische activiteit in de hersenen voor elke vingerverbinding.

Nadat de motorische en zintuiglijke gegevens waren verzameld, programmeerden de onderzoekers de prothesearm om overeenkomstige vingers te bewegen op basis van welk deel van de hersenen actief was. De onderzoekers zetten de prothese aan, die via de hersenelektroden met de patiënt was verbonden, en vroegen de proefpersoon te “denken” aan het individueel bewegen van duim, wijsvinger, middelvinger, ringvinger en pink. De elektrische activiteit die in de hersenen werd opgewekt, bewoog de vingers.

“De elektroden die in deze studie werden gebruikt om de hersenactiviteit te meten, gaven ons een betere resolutie van een groot gebied van de cortex dan alles wat we tot nu toe hebben gebruikt en maakten een nauwkeurigere ruimtelijke kartering in de hersenen mogelijk”, zegt Guy Hotson, afgestudeerd student en hoofdauteur van de studie. “Deze precisie is wat ons in staat stelde om de controle van individuele vingers te scheiden.”

In eerste instantie had de door de geest bestuurde ledemaat een nauwkeurigheid van 76 procent. Toen de onderzoekers de ringvinger en de pink aan elkaar koppelden, steeg de nauwkeurigheid tot 88 procent. “Het deel van de hersenen dat de pink en de ringvinger bestuurt, overlapt elkaar, en de meeste mensen bewegen de twee vingers samen”, zegt Crone. “Het is logisch dat het koppelen van deze twee vingers de nauwkeurigheid verbetert.”

De onderzoekers merken op dat er geen vooropleiding nodig was voor de proefpersoon om dit niveau van controle te krijgen, en het hele experiment duurde minder dan twee uur.

Crone waarschuwt dat toepassing van deze technologie op mensen die daadwerkelijk ledematen missen nog enkele jaren ver weg is en kostbaar zal zijn, omdat er uitgebreide mapping en computerprogrammering nodig is. Volgens de Amputee Coalition hebben meer dan 100.000 mensen in de VS geamputeerde handen of armen, en de meesten zouden kunnen profiteren van dergelijke technologie.

Aan de studie werkten verder mee David McMullen, Matthew Fifer, William Anderson en Nitish Thakor van Johns Hopkins Medicine en Matthew Johannes, Kapil Katyal, Matthew Para, Robert Armiger en Brock Wester van het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory.

Deze studie werd gefinancierd door het National Institute of Neurological Disorders and Stroke (subsidie nummer 1R01NS088606-01).