Paweł Walewski
Neuroprotezy mózgu
W2010 r. Ian Bukhart, student pierwszego roku Ohio University, wybrał się ze znajomymi nad ocean w Karolinie Północnej. Po 9-godzinnej podróży pierwszy rzucił się w fale, jak robił to tysiące razy w swoim życiu. Ale na plaży Outer Banks był pierwszy raz i nie spodziewał się, że silne podwodne wiry tak szybko porwą go na płytkie dno. Kiedy mocno uderzył o nie głową, natychmiast poczuł, że coś jest nie tak – na brzeg musieli go wyciągnąć przyjaciele. Okazało się, że stracił czucie w rękach i nogach.
Pacjentom takim jak Ian lekarze mówili wtedy: „Paraliż czterech kończyn. Możesz poruszać ramionami, ale do końca życia nie będziesz w stanie zrobić nic więcej”. Jego historia potoczyła się jednak inaczej.
Myślę, więc mówię
Nawet w Polsce pojawiły się już wyrafinowane metody leczenia niedowładów, choć na razie tylko w fazie eksperymentalnej. W 2012 r. we Wrocławiu udało się do tego stopnia zregenerować neurony po przeszczepieniu węchowych komórek glejowych, że mimo dotkliwego urazu kręgosłupa pacjent Dariusz Fidyka zaczął chodzić. Przy rehabilitacji chorych zaczęto też odważniej wykorzystywać egzoszkielety – rodzaj skafandra podłączonego do komputera, w którym osoby z paraliżem uczą się samodzielnie stawiać kroki. Firmy prześcigają się w konstruowaniu coraz lepszych tego typu urządzeń i nikt nie ma złudzeń, że robotyka może być dla tej grupy chorych szansą na odzyskanie sprawności.
– Ale Ian to pacjent wyjątkowy. W 2014 r., jako jednemu z pierwszych na świecie, wszczepiono mu do mózgu elektrody, dzięki którym samodzielnie mógł poruszać rękami – opowiada Paweł Soluch, z wykształcenia neuropsycholog i założyciel polskiej firmy Neuro Device, który miał okazję widzieć, jak amerykański student funkcjonuje z neuroprotezą. Na filmach udostępnionych w sieci Ian nalewa sobie wodę z butelki do szklanki i miesza w niej słomką. – Tak precyzyjne ruchy umożliwiła technologia, która przekazuje jego myśli bezpośrednio do mięśni przedramienia i dłoni. Jeszcze nie bezprzewodowo – w głowie Iana neurochirurdzy musieli wyciąć otwór, przez który wypuścili wiązkę elektrod, by połączyć je z komputerem.
Dlaczego przywołujemy dziś historyczny już eksperyment zn euro protezowaniem mózgu ?– Ponieważ niedawno postawiono kolejny krok na drodze do wykorzystania tej technologii w przywracaniu utraconych funkcji, tym razem mowy – mówi Paweł Soluch. – Zespół z University of California pod kierunkiem Edwarda Changa, z którym niedawno rozmawiałem o bliższej współpracy, zdołał stworzyć system, dzięki któremu pacjent może uwolnić słowa uwięzione w myślach.
Neuro Device nie ma kompleksów przed światową medycyną. Już od kilku lat zajmuje się wytwarzaniem stymulatorów ośrodkowego układu nerwowego. Jedno z takich urządzeń ma wspomagać rehabilitację afazji, czyli utraty lub ograniczenia zdolności mowy u chorych po udarach mózgu. W praktyce polega to na tym, że prąd elektryczny pobudza uszkodzony rejon mózgu i stymuluje szlaki, którymi wędrują impulsy, aby od nowa zaczęły funkcjonować. Polskie urządzenie to czepek z elektrodami.
Ale eksperyment Changa jest przykładem bardziej wyrafinowanego n euro protezowania. Ono w przyszłości może zmienić oblicze neurochirurgii i umożliwić pacjentom nie tylko poruszanie kończynami, ale też mięśniami, które zawiadują artykulacją dźwięków.
Przykuty do wózka z powodu postępującego stwardnienia zanikowego bocznego prof. Stephen Hawking ze światem zewnętrznym porozumiewał się dzięki syntezatorowi mowy. Komputer włączał drgnieniem policzka (na oprawce okularów miał zainstalowany czujnik podczerwieni, który reagował na skurcze mięśni), przy pisaniu korzystał zaś ze specjalnego oprogramowania ACAT, które z kontekstu pierwszych liter i słów bezbłędnie domyślało się dalszego ciągu. Hawking literował więc swoje myśli, ale nie miał afazji, tylko chorobę, która sparaliżowała jego mięśnie.
Zespołowi prof. Changa udało się za pomocą elektrod przytwierdzonych do mózgu skorelować pracę ośrodków
mowy z systemem artykulacji dźwięków. Stworzył wydobywaną z syntezatora sterowanego komputerem ścieżkę głosową pacjenta, który bez takiego technologicznego oprzyrządowania mógł tylko myśleć, co chce powiedzieć, lecz nie mógł wydobyć z siebie głosu.
Dr. hab. Przemysławowi Kunertowi z Kliniki Neurochirurgii Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego eksperyment z Kalifornii przypomina te, które przeprowadza się u osób z przypiętymi protezami kończyn: – Do kory mózgowej, która zawiaduje ich ruchem, przykładane są elektrody odczytujące impulsy elektryczne. Następnie przenoszą je do komputera, gdzie język neuronów zostaje przełożony na komendy wprawiające protezę w ruch.
Najpierw więc musi zrodzić się myśl, jaki konkretny ruch wykonać. Edward Chang przeprowadził eksperyment u osób, które wiedziały, co chcą powiedzieć, i chodziło jedynie o uaktywnienie aparatu artykulacyjnego. – Powtórzenie go u chorych z uszkodzonymi ośrodkami mowy lub pęczkami neuronów, które je łączą, nie przyniosłoby niestety podobnego sukcesu – podkreśla doc. Kunert.
Paweł Soluch także w to nie wierzy. Wydaje mu się, że mózg jest zbyt skomplikowanym narządem, by można było naśladować jego pracę: – W generowanie funkcji mowy zaangażowanych jest dużo więcej fragmentów niż tylko dobrze poznane ośrodki Broki i Wernickego. Na razie gubimy się w gąszczu domysłów i hipotez, jak ten system działa.
Ćwiczę, więc działam
– To, co możemy dziś odczytać z mózgu przy użyciu wciąż niedoskonałych metod, pochodzi zazwyczaj od ludzi zdrowych – nie ma wątpliwości prof. Małgorzata Kossut, która kieruje Laboratorium Neuroplastyczności w Instytucie Biologii Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego PAN. Modeli zwierzęcych do badań nad generowaniem mowy oczywiście nie ma, więc instrumentarium metod, jakimi posługują się uczeni, pozostaje dość ograniczone.
Sama plastyczność mózgu jest zjawiskiem, które neurobiologów fascynuje od dawna, gdyż pokazuje, że ten narząd jest zdolny do tworzenia nowych połączeń między miliardami komórek. To bardzo przydatne w odtwarzaniu funkcji, które zanikły na skutek zniszczenia określonych struktur w mózgu. A nowoczesne metody rehabilitacji potrafią wspomagać plastyczność za sprawą przezczaszkowego, nieinwazyjnego pobudzania elektrycznego lub magnetycznego.
W opublikowanej w ubiegłym roku książce „Neuroplastyczność” prof. Kossut pisze, że termin ten należy uznać za parasol, pod którym kryje się wiele procesów zmieniających właściwości neuronów. – Plastyczność naprawcza to odbudowa funkcjonowania mózgu po uszkodzeniu jego struktury, najczęściej na skutek udaru – wyjaśnia. – Czyli przekierowanie aktywności na nieuszkodzone drogi i niekiedy naprawa zniszczeń.
Czy zdaje to egzamin przy uszkodzeniu ośrodków mowy? – Wszystko zależy od rozległości urazu i jego lokalizacji – twierdzi prof. Kossut, podkreślając, że obszary odpowiedzialne za mowę to nie – jak dawniej uważano – jedynie pole Broki i Wernickego i nie tylko przylegające do nich obszary, lecz także inne miejsca kory mózgowej, związane ze skupianiem uwagi, pamięcią roboczą czy nawet inteligencją. Wszystkie muszą działać płynnie, aby funkcje związane z językiem i mową funkcjonowały prawidłowo.
– Rehabilitacja afazji jest żmudna, ale może przynieść dobre efekty – zapewnia doc. Przemysław Kunert. Wie coś
o tym Anna Skwira, studentka medycyny z Bydgoszczy, która po wylewie na III roku studiów dość szybko odzyskała władzę w rękach i nogach, za to nie potrafiła nazwać widzianej na obrazku marchewki ani wyartykułować słowa „mama”: – Chęć ukończenia studiów motywowała mnie do codziennych 10-godzinnych ćwiczeń.
I było coraz lepiej: pierwszy wypowiedziany wyraz, drugi, kolejny. W końcu Anna zaczęła formułować zdania. Po roku wytrwałej rehabilitacji wróciła na wykłady. Znów zaczęła wykuwać na pamięć podręczniki farmakologii i chorób wewnętrznych. Właśnie skończyła V rok.
Nawet w zniszczonym fragmencie mózgu mogą pozostać neurony, które będą starały się poprzez odtwarzanie sieci połączeń nawiązać kontakt z innymi okolicami – najpierw sąsiednimi, potem coraz bardziej odległymi. Ta kaskada procesów naprawczych następuje zdaniem neuropsychologów zwłaszcza przez pierwsze pół roku. Rehabilitacja ją wspiera, bo po to właśnie stymuluje się bodźcami pacjenta, aby zachowane neurony szybciej wytwarzały owe połączenia. – Dawniej czekano z nią przez kilka tygodni, obecnie wprowadza się ją jak najszybciej – podsumowuje prof. Kossut. – Badania na zwierzętach pokazują jednak, że tuż po udarze próby wywołania zmian plastycznych są nieskuteczne z powodu stanu zapalnego. Ale już 2–3 dni później pojawia się intensywny ruch kolców dendrytycznych i zakończeń
aksonalnych, rośnie poziom substancji sprzyjających plastyczności.
Neuroprotetyka jest dla ludzi, którym tradycyjna rehabilitacja i neuroplastyczność już w żaden sposób pomóc nie mogą. Ale, co podkreśla doc. Przemysław Kunert, nigdy ich nie zastąpi – raczej wesprze i zintensyfikuje: – Nie wierzę, aby można było osiągnąć sukces, poprzestając na wszczepieniu do mózgu elektrod. Tak jak egzoszkielety nikogo nie wyręczają z ćwiczeń.
Dziś różnego rodzaju okablowaniem mózgu próbuje się już leczyć padaczki, ból, chorobę Parkinsona, a nawet depresję i otyłość (w celu hamowania zachowania kompulsywnego, jakim jest chęć objadania się). – Ale przyszłością neurochirurgii będzie przywracanie funkcji – nie ma wątpliwości doc. Kunert. – Potrzeba jednak wiele pracy, by lepiej zrozumieć, jak pracuje mózg, i zminimalizować oprzyrządowanie, które jest niezbędne do przetwarzania sygnałów płynących z neuronów.
Próbuję, więc mam szansę
Odkąd istnieją komputery, ludziom wydawało się, że uda się je szybko połączyć z mózgiem, by łatwo było przejąć jego funkcje. – Już w 1963 r. na uniwersytecie w Oxfordzie pokazano system, dzięki któremu zmiany slajdów podczas prezentacji sterowane były myślami wykładowcy – opowiada Paweł Soluch. – U progu lat 70. XX w. José Delgado wszczepił bykowi implant, aby podczas corridy zmieniać jego zachowanie pod wpływem stymulacji elektrycznej. I powiedział, że „stajemy na progu nowej ery człowieczeństwa, bo niebawem będziemy mogli wpływać na emocje ludzi, rozszerzając ich funkcje poznawcze”.
Nawet jeśli podejmuje się dziś takie próby, to tylko w fazie eksperymentów. Podobnie jest z systemami odtwarzania mowy, których pacjenci nie mogą na razie zabierać do domu, gdyż elektrody wychodzące z ich głowy trzeba podłączać do sporych rozmiarów komputerów. – Na pewno jednak uda się je kiedyś zminimalizować i będziemy mogli je wszczepiać pod skórę jak defibrylatory serca – ma nadzieję doc. Kunert.
– Obecnie jednymi z największych przeszkód napotykanych przez tę technologię są, poza rozmiarem aparatury, wciąż jednak jej zawodność i mała wygoda – wymienia Paweł Soluch. – Ale jeśli mózg będzie mógł komunikować się ze stymulatorami lub protezami umieszczonymi w różnych częściach ciała bez pośrednictwa przewodów, otworzą się nowe horyzonty.
Małymi krokami pewnie kiedyś uda się do tego dojść i wyrafinowana elektronika z chipami wszytymi w tkanki będzie wspierać ludzi w ich dążeniach
do doskonałości.