Sparaliżowane osoby mogą odzyskać sprawność dzięki falom mózgowym i EEG

Pacjenci dotknięci porażeniem (paraliżem) nie są w stanie wykonywać ruchów ciałem, bowiem bodźce nerwowe nie dopływają do mięśni. Okazuje się jednak, że mózg nadal potrafi generować sygnały, będące intencją ruchu - tyle że trafiają one w próżnię. Naukowcy z Uniwersytetu Vita-Salute San Raffaele we Włoszech oraz Politechniki Federalnej w Lozannie w Szwajcarii znaleźli sposób, by przekierować fale mózgowe tak, by pacjenci mogli odzyskać sprawność.

Badacze wzięli pod lupę pacjentów z ciężkim uszkodzeniem rdzenia kręgowego (SCI). Zauważają oni, że przywracanie funkcji kończyn dolnych jest dużym wyzwaniem. Jedną z dotychczasowych metod jest stymulacja rdzenia kręgowego, która jednak ma spore ograniczenia. Obrali oni więc inne podejście. Postanowili odkodować "intencje motoryczne" z sygnałów korowych w mózgu przy pomocy elektroencefalografii (EEG). Ich badanie, opisane na łamach "APL Bioengineering", miało sprawdzić, czy sygnały te można ponownie połączyć z kończynami.

Autorzy badania zwracają uwagę, że EEG jest metodą nieinwazyjną i już w przeszłości wykorzystywaną do odkodowywania intencji ruchu kończynami górnymi. Polega ona na umieszczeniu na głowie pacjenta czapki z elektrodami, które zczytują sygnały przezczaszkowo. Dzięki temu nie trzeba umieszczać inwazyjnych urządzeń bezpośrednio w mózgu ani rdzeniu kręgowym. Do tej pory jednak nie prowadzono takich badań w odniesieniu do kończyn dolnych. Co udało się ustalić?

W badaniu wzięło udział czterech pacjentów z ciężkim uszkodzeniem rdzenia kręgowego o różnym natężeniu. Zespół naukowców badał przy pomocy EEG ich fale mózgowe podczas prób zgięcia prawego lub lewego biodra oraz wyprostu kolana w kilku sesjach eksperymentalnych.

"Wykonaliśmy analizę statystyczną związanej ze zdarzeniami decynchronizacji/synchronizacji oraz klasyfikację machine learningową, by oszacować wydajność dekodowania w jednym i wielu oknach. Nasze wyniki sugerują, że sygnały EEG mogą zwykle odróżnić próby poruszenia kończyną dolną od spoczynku, podczas gdy dekodowanie odróżniające ruchy lewej i prawej strony oraz biodra i kolana było trudniejsze" - wyjaśniają autorzy badania. Tę dokładność udało się jednak w pewnej mierze poprawić.

EEG, choć nieinwazyjne i niewymagające zabiegu chirurgicznego, ma ograniczoną zdolność przechwytywania sygnałów z głębszych części mózgu. Tą metodą łatwiej jest wykrywać sygnały świadczące o intencji poruszenia rękami - z nogami i stopami jest większy problem. Badaczom pomogły jednak nowoczesne metody, w tym wspomniany wcześniej machine learning, czyli uczenie maszynowe (jedna z gałęzi sztucznej inteligencji). Specjalny algorytm rejestrował kolejne próby ruchów pacjentów i nauczył się je kategoryzować.

System opracowany przez włosko-szwajcarski zespół osiągnął dość zauważalną skuteczność, jednak nadal go można ulepszyć. Naukowcy planują m.in. udoskonalić algorytm, tak aby nauczył się rozpoznawać intencje konkretnych działań, takich jak wstawanie, chodzenie czy wspinanie się. To jednak nie wszystko. EEG ma wszak pomóc sparaliżowanym pacjentom w rzeczywistym poruszaniu kończynami.

Badacze zamierzają więc jeszcze eksplorować możliwości implementacji swojego systemu, tak aby zdekodowane dane z EEG, przetworzone przez algorytm, mogły zostać użyte do aktywacji wszczepionych stymulatorów. Jeśli te próby zakończą się powodzeniem, może to oznaczać kamień milowy w nieinwazyjnym przywracaniu sprawności u pacjentów dotkniętych paraliżem.

Źródło: L. Toni, V. De Seta, L. Albano, D. Emedoli, A. Xu, V. Mendez, F. Agnesi, S. Iannaccone, P. Mortini, S. Micera, S. Romeni. Decoding lower-limb movement attempts from electro-encephalographic signals in spinal cord injury patients. APL Bioengineering, 2026; 10 (1) DOI: 10.1063/5.0297307