Neurala proteser ger känsla och hörsel

Sida vid sida på hyllorna inne på Robert Lipschutz kontor på Chicagos rehabiliteringsinstitut (RIC) ligger en mängd olika proteser. Med hjälp av dessa konstgjorda händer, ben och fötter har man försökt rekonstruera människokroppen. ”Den grundläggande tekniken bakom armproteserna har inte förändrats särskilt mycket under de senaste hundra åren”, berättar han.

17 januari 2010

Sida vid sida på hyllorna inne på Robert Lipschutz kontor på Chicagos rehabiliteringsinstitut (RIC) ligger en mängd olika proteser. Med hjälp av dessa konstgjorda händer, ben och fötter har man försökt rekonstruera människokroppen. ”Den grundläggande tekniken bakom armproteserna har inte förändrats särskilt mycket under de senaste hundra åren”, berättar han.

”Vi har tillgång till andra material, så vi använder plast i stället för läder, men grunden är precis densamma: krokar och gångjärn som rörs med hjälp av kablar eller motorer och styrs av spakar.” Robert Lipschutz tar ner ett plastskal från en hylla.

Det är en vänsteraxel och en arm. Axelpartiet är en sorts plåt som spänns fast över bröstet med en sele. Längst ut på armen sitter en gripklo. För att sträcka ut armen måste man vrida huvudet åt vänster och trycka på en spak med hakan samtidigt som man gör en kroppsrörelse för att få armen att svänga ut. Det är precis lika otympligt som det låter. Ansträngande är det också. Efter bara 20 minuter har man ont i nacken av de ovana rörelser som krävs för användningen av spakarna. Många personer med amputerade kroppsdelar slutar använda armar av det här slaget.

Inte säker på om det hjälper

”Ibland tycker jag att det är svårt att ge folk de här, för vi vet faktisk inte om de är till någon hjälp”, säger Robert Lipschutz. Han och andra på RIC tror att den typ av protes som Amanda Kitts frivilligt har valt att testa är bättre. Den styrs av hjärnan, inte av kroppsdelar som normalt inte har något med handens rörelser att göra. Genom målinriktad återuppbyggnad av muskelnerver kan man styra en konstgjord kroppsdel med de nerver som finns kvar efter en amputation. Första gången det här testades på en patient var år 2002. Fyra år senare läste Tommy Kitts, Amandas man, om tekniken på internet medan hans fru låg på sjukhuset efter sin olycka.

”Det lät som det bästa alternativet, betydligt bättre än motorer och spakar”, säger Tommy. ”Amanda nappade direkt.” Snart satt de på ett flygplan med destination Illinois.

Todd Kuiken, läkare och biomedicinsk tekniker på RIC, var den som ansvarade för Amanda Kitts neurala protes. Han vet att nerverna i armen eller benstumpen på en person som har fått en kroppsdel amputerad fortfarande kan överföra signaler från hjärnan. Han vet också att en dator i en protes kan få elmotorer att röra kroppsdelen. Det knepiga är att upprätta en förbindelselänk mellan dem. Nerver överför visserligen elektricitet, men de kan inte bara skarvas ihop med datorkablar. (Nervfibrer och metallkablar är ingen bra kombination. Ett öppet sår med en kabel rakt in i kroppen skulle dessutom bli en farlig infektionskälla.)

Todd Kuiken behövde något som kunde förstärka nervsignalerna, så att det inte behövdes någon direkt förbindelse. Han hittade en förstärkare: musklerna. När kroppens muskler drar ihop sig alstras en elektrisk impuls som är tillräckligt stark för att kunna fångas upp av en elektrod på huden. Han utvecklade en teknik för att leda kapade nerver från sin gamla, skadade plats till andra muskler och ge rätt förstärkning åt signalerna från dem.

I oktober 2006 påbörjade Todd Kuiken arbetet med att dra nya ledningar i Amanda Kitts. Första steget var att rädda de större nerver som tidigare löpt hela vägen genom hennes arm. Nerverna utgår från motoriska cortex i hjärnan, där det finns en odetaljerad karta över kroppen, och slutar numera vid Amanda Kitts armstump. Genom ett avancerat ingrepp ledde en kirurg om dessa nerver till olika delar av Amanda Kitts överarmsmuskler. Under månaderna som följde växte nerverna millimeter för millimeter och trängde allt djupare in i den nya vävnaden.

”Efter tre månader började jag känna lätta stickningar och små ryckningar i musklerna”, berättar Amanda Kitts. ”Efter fyra månader kunde jag känna olika delar av handen när jag rörde vid överarmen. Jag kunde ta på olika ställen och känna fingrarna.” Det Amanda Kitts kände var olika delar av fantomarmen på kartan i hennes hjärna, som nu återigen var förbunden med vävnaden. När Amanda Kitts tänkte på att röra fantomfingrarna var det överarmsmusklerna som reagerade.

En månad senare hade Amanda Kitts fått sin första neurala protes. I muffen som satt runt armstumpen var den försedd med elektroder som skulle fånga upp signaler från musklerna. Utmaningen bestod i att omvandla signalerna till instruktioner om att röra armbågen och handen. Det kom en hel del elektriskt brus från det lilla området på Amanda Kitts arm. Någonstans i detta brus fanns signalen för ”räta ut armbågen” eller ”vrid handleden”. Nu måste en mikroprocessor i protesen programmeras för att kunna urskilja de olika signalerna och vidarebefordra dem till rätt motor.

Tack vare Amanda Kitts fantomarm har det varit möjligt att urskilja signalerna. I ett laboratorium på RIC finjusterar forskningsingenjören Blair Lock programmeringen. Han ber Amanda Kitts ta av sig den konstgjorda armen, så att han kan täcka armstumpen med elektroder. Hon står framför en stor platt-tv som visar en hudfärgad arm som svävar ovanför en blå botten: en visualisering av fantomarmen. Blair Locks elektroder tar emot signalerna som går från Amanda Kitts hjärna ner till armstumpen, och den virtuella armen rör sig.

Med dämpad röst (för att inte bryta hennes koncentration) frågar Blair Lock om Amanda Kitts kan vrida handen så att handflatan riktas inåt. ”Räta nu ut handleden och vänd handflatan uppåt”, säger han. Handen på skärmen rör sig. ”Går det bättre än senast?” frågar hon. ”Absolut. Starka signaler.” Amanda Kitts ler. Nu ber Blair Lock henne föra tummen mot handens övriga fingrar. Handen på skärmen lyder. Amanda Kitts spärrar upp ögonen. ”Wow! Det visste jag inte ens att jag kunde göra!” Så snart muskelsignalerna som är förknippade med en viss rörelse har identifierats programmeras datorn i armen att invänta just dessa signaler och reagera genom att aktivera rätt motor.

På våningen under Todd Kuikens kontor, i en lägenhet som en grupp arbetsterapeuter har inrett med allt som en person som nyligen har fått en protes normalt behöver kunna klara av att använda, har Amanda Kitts fått träna med den konstgjorda armen. Där finns ett kök med spis, besticklåda, säng, skåp med galgar, badrum, trappor – alltihop saker som vi andra använder varje dag utan att ägna det minsta tanke, men som kan utgöra i det närmaste oöverstigliga hinder för en person som saknar en kroppsdel. Det är verkligen något utöver det vanliga att se Amanda Kitts breda en smörgås i köket. Hennes ärmar är upprullade så att plastmuffen syns. Rörelserna är jämna. I sin levande arm håller hon en brödskiva medan hennes konstgjorda fingrar fattar tag om en kniv. Armbågen böjs och rätas ut medan hon breder ut smöret på brödet.

”Det var inte lätt i början”, säger hon. ”När jag försökte röra armen ville den inte alltid samma sak som jag.” Hon kämpade emellertid envist på och ju mer hon använde armen, desto naturligare blev rörelserna. Något som Amanda Kitts gärna skulle vilja ha nu är känsel. Det skulle vara till stor hjälp i många situationer, bland annat när hon ägnar sig åt en av sina favoritsysselsättningar: kaffedrickande.

”Problemet med pappersmuggar är att handen klämmer åt tills den får ett fast grepp. Men om pappersmuggar får man aldrig något fast grepp”, säger hon. ”Det hände en gång när jag var på en kaffebar. Jag klämde åt om pappersmuggen tills den gav efter.”

Möjligheten för henne att få känsel av detta slag är god, säger Todd Kuiken. Återigen är det tack vare fantomarmen. Tillsammans med laboratoriet för tillämpad fysik vid Johns Hopkins University har RIC arbetat med att ta fram en helt ny prototyp med större rörlighet. Prototypen har fler motorer och leder, men också tryckkänsliga kuddar ute på fingerspetsarna. Kuddarna är kopplade till små pistongliknande stavar som trycker mot Amanda Kitts armstump. Ju större trycket är, desto mer känner hon i sina fantomfingrar.

”Jag känner hur hårt jag tar i något”, säger hon. Hon känner också skillnad mellan att gnida på en sträv yta, som sandpapper, och på något slätt, som glas, eftersom stavarna vibrerar olika fort.

”Jag vill ha med mig den nya armen hem på direkten, men den är betydligt mer avancerad än armen som jag har där hemma och inte helt driftsäker än”, säger hon.

Fyrtioårige Eric Schremp behöver inga konstgjorda händer. I stället vill han få sina egna att fungera. Det har de inte gjort sedan han bröt nacken år 1992. Nu kan han emellertid hålla bestick i händerna.

Det har blivit möjligt tack vare ett implantat som utvecklats av den biomedicinske ingenjören Hunter Peckham. ”Vårt mål är att återställa förmågan att greppa med händerna”, säger Hunter Peckham. ”Att kunna använda händerna är nyckeln till frihet.”

Elektroder förbinder bröst med fingermuskler

Eric Schremps fingermuskler och alla nerverna som styr dem finns kvar, men signalerna från hjärnan når inte nedanför halsen. Därför har Hunter Peckhams team fört in åtta stycken mikroskopiskt tunna elektroder under huden på Eric Schremps bröst och dragit dem genom högerarmen ända ut till fingermusklerna. När en bröstmuskel drar ihop sig uppstår en signal, som via en radiosändare skickas till en liten dator på hans rullstol. Datorn översätter signalen och skickar den via radio tillbaka till en mottagare som har opererats in i bröstet på Eric Schremp. Därifrån skickas signalen sedan via ledningarna genom armen till handen. Där berättar signalen för fingermusklerna att de ska dra ihop sig i ett grepp. Allt detta sker inom loppet av bara en mikrosekund.

”Jag kan hålla en gaffel och äta själv”, säger Eric Schremp. ”Det betyder mycket.”

Omkring 250 personer har behandlats med denna teknik, som fortfarande befinner sig på experimentstadiet. En annan neural anordning som har visat att symbiosen mellan hjärna och maskin kan vara både effektiv och hållbar har emellertid opererats in i närmare 200000 personer runtom i världen under de senaste 30 åren: cochleaimplantat. Aiden Kenny är en av de senaste mottagarna. Hans mamma Tammy Kenny minns när hon för ett år sedan fick veta att en vanlig hörapparat inte skulle hjälpa hennes barn.

”Hur skulle han kunna lära känna mig? En gång slog min man ihop två grytor i hopp om att få en reaktion.” Aiden hörde ingenting.

Nu kan han emellertid höra grytor skramla. I februari 2009 opererade kirurger på Johns Hopkins Hospital in tunna trådar med 22 elektroder i de inre delar av Aidens öron som normalt uppfattar ljudvibrationer. I Aidens fall är det i stället en mikrofon som tar upp ljuden. Signaler skickas till elektroderna, som genast vidarebefordrar dem till nerverna.

”När de aktiverade implantatet en månad efter operationen märkte vi att han reagerade på ljud”, berättar Tammy Kenny. ”Han vände sig om när han hörde min röst. Det var fantastiskt.” Tack vare intensiv terapi har Aiden i dag börjat lära sig språk, och han knappar ganska snabbt in på normalt hörande jämnåriga.Kanske följs de neurala öronen snart av neurala ögon. För flera år sedan förlorade Jo Ann Lewis synen på grund av retinitis pigmentosa (RP), en ärftlig häthinnesjukdom som bryter ner ögats ljuskänsliga celler, de så kallade stavarna och tapparna. Som ett resultat av ett forskningssamarbete mellan ögonläkaren Mark Humayun och företaget Second Sight återfick hon emellertid nyligen en viss del av sin syn.

Som oftast vid den här sjukdomen hade ett inre lager av näthinnan delvis klarat sig. Detta lager är fullt av bipolära celler och ganglieceller, som normalt samlar in signaler från de yttre stavarna och tapparna och skickar dem till fibrer som möts i synnerven. Ingen visste vilket språk den inre näthinnan talade eller hur man kunde skicka bilder till näthinnan. År 1992 började dock Mark Humayun placera ett antal små elektroder på näthinnorna på RP-patienter som skulle opereras av andra anledningar.

”Vi bad dem följa en prick, vilket de klarade”, säger han. ”De såg rader och spalter.” Efter ytterligare tio år av studier utvecklade Mark Humayun och hans kollegor ett system som de kallade för Argus (en jätte ur den grekiska mytologin med hundratals ögon). Patienterna utrustades med ett par mörka glasögon med en liten videokamera och en radiosändare. Videosignaler skickades till en dator i ett bälte runt midjan, översattes till elektriska impulser som gangliecellerna förstod och skickades sedan vidare till en mottagare bakom örat. Därifrån gick en ledning till ögat, till en kvadratisk ansamling av 16 elektroder som försiktigt fästs på näthinnan. Impulserna påverkade elektroderna, elektroderna påverkade cellerna, resten skötte hjärnan. Plötsligt kunde patienterna urskilja konturer och vissa enklare former.

Hösten 2006 ökade man antalet elektroder till 60. Precis som en kamera med större antal pixlar gav den nya elektrodansamlingen en skarpare bild än den gamla.

Forskarna har utvecklat konceptet med neurala proteser ytterligare och börjat använda dem direkt på hjärnan. Forskarna bakom projektet BrainGate försöker koppla totalförlamade patienters motoriska cortex direkt till en dator, så att patienterna kan flytta föremål med hjälp av hjärnan. Hittills har försökspersonerna kunnat flytta omkring en markör på en bildskärm. Vissa forskare har rentav planer på att utveckla en konstgjord hippocampus – en del av hjärnan som är oerhört viktig för korttidsminnet – för att sedan kunna operera in den i personer som har förlorat minnet. Allt fungerar naturligtvis inte perfekt. En av de fyra första patienterna som ingick i BrainGate-projektet har bestämt sig för att låta ta bort implantatet, eftersom det stör andra medicinska hjälpmedel. Jo Ann Lewis säger att hon inte ser tillräckligt bra för att säkert kunna korsa en gata. Amanda Kitts har emellertid fått en ny, mer flexibel muff på armen, som förbättrar kommunikationen mellan elektroderna och nerverna som styr hennes arm.

”Vi ger människor redskap och de är bättre än de redskap som fanns tidigare”, säger Todd Kuiken. De är emellertid fortfarande ganska klumpiga i förhållande till människokroppens egna armar och ben. De kommer följaktligen inte i närheten av naturen, men de kan åtminstone göra så att människor klarar av att ta på och av sig sina strumpor.

Läs också

Kanske är du intresserad av...