رابط بی‌سیم مغز و ستون فقرات به یک بیمار معلول قدرت راه رفتن داد

گرت جان اوسکام در سال 2011 بر اثر حادثه دوچرخه‌سواری در چین، ستون فقراتش آسیب دید و توانایی راه رفتن را از دست داد. شش سال بعد، این مرد هلندی به‌لطف مجموعه کوچکی از الکترودهای کاشته‌شده در بالای نخاعش که پالس‌های الکتریکی تحریک‌کننده عصبی را ارسال می‌کردند، توانست چند قدم کوتاه بردارد. این دستگاه به او امکان راه رفتن می‌داد، اما روند کند و خسته‌کننده‌ای داشت.

به‌تازگی یک گروه بین‌المللی از محققان در مجله نیچر گزارش کرده‌اند که راه‌حل بهتری برای اوسکام یافته‌اند. راهکاری که به‌صورت دیجیتالی شکاف ارتباطی بین مغز و بخش پایین‌تنه او را پر می‌کند. امواج مغزی که تمایل اوسکام به راه رفتن را نشان می‌دهند، از یک دستگاه کاشته‌شده در جمجمه او به محرک نخاعی می‌روند، سیگنال را در اطراف بافت آسیب‌دیده تغییر مسیر می‌دهند و پالس‌های الکتریکی را به نخاع می‌رسانند تا به این ترتیب حرکت او را تسهیل کنند. اکنون، اوسکام می‌تواند راحت‌تر راه برود، از موانع عبور کند و از پله‌ها بالا برود.

همچنین، این‌گونه به‌نظر می‌رسد که رابط جدید مغز و ستون فقرات نسبت‌ به روش تحریک به‌‌تنهایی، بهبود بیشتری را باعث می‌شود. اوسکام که پس از تصادف برخی از اتصالات نخاعی‌اش سالم مانده بود، حتا وقتی دستگاه‌ها خاموش هستند، قادر است با عصا راه برود. او قبلا هرگز قادر به انجام این کار نبود. کیت تانسی، متخصص مغز و اعصاب در مرکز توانبخشی متودیست، می‌گوید: «تحریک نخاع و رابط‌های مغزی هر دو در گذشته مورد استفاده قرار گرفته بودند، اما هرگز به این روش با هم ترکیب نشده بودند. از دیدگاه مهندسی زیست‌پزشکی، این شاهکاری واقعی است. البته ما باید بدانیم این مطالعه آزمون اجراپذیری ایده با یک شرکت‌کننده است و مشخص نیست که آیا افراد دیگری که نخاع آن‌ها آسیب دیده به نتایج مشابهی دست پیدا خواهند کرد یا خیر».

برخی آسیب‌های فلج‌کننده، نخاع را به‌طور کامل قطع می‌کنند، اما در اغلب موارد، اتصالات آسیب‌دیده بین مغز و پایین‌‌تنه باقی می‌مانند. دانشمندان دهه‌ها تلاش کرده‌اند راه‌هایی برای ترمیم این بزرگراه‌های عصبی قطع‌شده پیدا کنند.

این مطالعه جدید بر اساس کار و تلاش‌ گرگوار کورتین، عصب‌شناس موسسه فناوری فدرال سوئیس در لوزان و جوسلین بلوخ، جراح مغز و اعصاب در دانشگاه لوزان، انجام شد. در سال 2018، این دو همکار نشان دادند که تحریک ستون فقرات همراه با تمرینات فشرده می‌تواند به افراد مبتلا به فلج نسبی کمک ‌کند تا راه بروند. اوسکام یکی از سه شرکت‌کننده نخست آن کارآزمایی بود که هرکدام تا حدودی حس بخش پایین‌تنه خود را به‌دست آوردند. سال گذشته، پژوهش‌گران گزارش کردند تحریک در افراد دچار آسیب‌های شدیدتری که هیچ احساس یا حرکتی در پاهای خود نداشتند نیز مؤثر بوده است.

اما تحریک ستون فقرات دارای معایبی است. برای شروع راه رفتن یا ایستادن، کاربر باید به‌طور دستی مثلا با فشردن یک دکمه، سیگنال را آغاز کند. اوسکام پس از آسیب‌دیدگی همچنان می‌توانست پاشنه پای خود را بلند کند و حسگر روی پای او می‌توانست این حرکت کوچک را تشخیص دهد و محرک را راه‌اندازی کند. پس از آن، حرکت القاشده رباتیک و خودکار بود و تحت کنترل آگاهانه اوسکام قرار نداشت. دنیس بوربو، مهندس زیست‌پزشکی در مرکز پزشکی امور کهنه‌سربازان لوئیس استوکس کلیولند، می‌گوید: «تحریک ستون فقرات به این روش تا حدی مانند عروسک‌گردانی است».

اوسکام می‌گوید: «هر قدمی که برمی‌داشتم کمی استرس داشتم. باید با ریتم هماهنگ می‌شدم وگرنه نمی‌توانستم به‌خوبی قدم بردارم. بسیاری از حرکاتی که برای زندگی روزمره‌ام مفید بودند، مثل بالا رفتن از پله‌ها، برایم میسر نبود».

هدف سیستم جدید این است که فرایند را یکپارچه‌تر کند. رابط مغز شامل دو آرایه با 64 الکترود است که هر کدام در محفظه‌ای تیتانیومی قرار گرفته‌اند. آرایه‌ها از طریق جراحی درون جمجمه قرار داده می‌شوند و هر یک در یک سمت سر، بالای قشر حرکتی کاشته می‌شود و سیگنال‌های الکتریکی را دریافت می‌کنند. سیگنال‌ها به‌شکل بی‌سیم به هدست و سپس به لپ‌تاپی در کوله‌پشتی اوسکام می‌روند و الگوریتم حرکت موردنظر او را رمزگشایی می‌کند. سپس، کامپیوتر این پیش‌بینی‌ها را برای تحریک‌کننده ارسال می‌کند و تحریک‌کننده بسته‌ به حرکت موردنظر، الگوهای مختلفی از پالس‌های الکتریکی را تحویل می‌دهد.

سیستم به‌روزشده اوسکام به او اجازه می‌دهد مفاصل لگن، زانو و مچ پای خود را با دقت بیشتری کنترل کند. پس از 40 جلسه تمرین، او می‌تواند راه برود، بایستد و حتا از پله‌ها بالا برود. به‌‌نظر می‌رسد این مزیت‌ها حتا وقتی دستگاه‌ها خاموش می‌شوند، تداوم دارد. این امر نشان می‌دهد ممکن است ارتباط بین مغز و بخش پایین‌تنه او تقویت شده باشد.

ناندان لاد، جراح مغز و اعصاب در دانشگاه دوک می‌گوید: «ما هنوز در مراحل ابتدایی کار هستیم، اما به‌عنوان یک اثبات مفهومی در یک انسان، فکر می‌کنم این یک گام بزرگ روبه‌جلو است.»

مایکل فلینگز، جراح مغز و اعصاب دانشگاه تورنتو می‌گوید: «نتایج چشم‌گیر هستند، اما هنوز مشخص نیست که کدام گروه از افراد مبتلا به آسیب نخاعی می‌توانند از این فناوری بهره ببرند و چقدر ممکن است عملکرد خود را بازیابند. این یک مطالعه تک موردی است و بیمار احتمالا با دقت انتخاب شده است».

 برخی از بیماران ممکن است به‌دلیل تهاجمی بودن درمان، علاقه‌ای به انجام این کار نداشته باشند. کاشت این دستگاه‌ها به جراحی مغز باز نیاز دارد که با خطراتی همراه است. در واقع، یکی از ایمپلنت‌های مغزی اوسکام به‌دلیل عفونت استافیلوکوکوس باید بعد از حدود 6 ماه برداشته شود.

محققان می‌گویند: «گام‌های بعدی آن‌ها، کاهش حجم این دستگاه خواهد بود». بلوخ و کورتین، شرکتی به نام آنوارد (Onward) را تاسیس کردند که قصد دارد یک سیستم کارآمد و کاملا یکپارچه را توسعه دهد. همچنین، این تیم قصد دارد آزمایش کند که آیا این رابط مغز و ستون فقرات می‌تواند به بهبود یا بازیابی حرکت قسمت فوقانی بدن در بیمارانی که در بخش بالایی ستون فقرات خود دچار آسیب شده‌اند، کمک کند یا خیر. فلینگز که مشتاق است ببیند این فناوری در آینده چگونه پیشرفت می‌کند، می‌گوید: «این گزارش یک مورد بسیار جالب است. یک شاهکار زیبای مهندسی است، اما نتایج را باید با احتیاط تفسیر کرد».