Βιοϊατρική: Ιατροί ανα-κατευθύνουν τα νεύρα για να δώσουν πιο φυσικό έλεγχο στα προθετικά άκρα ή να προσφέρουν κίνηση σε παράλυτα άκρα.
Είναι γνωστό ως το σύνδρομο «phantom limb» ή «phantom pain» (άκρο-φάντασμα ή πόνος-φάντασμα). Όμως, όσοι το βιώνουν, το νιώθουν σαν πραγματικό, και μπορεί να είναι και άκρως επώδυνο. Άνθρωποι με ακρωτηριασμό ή παράλυση μερικές φορές «νιώθουν» το μέρος του σώματος που έχει ακρωτηριαστεί ή έχει παραλύσει, ακόμα και όταν αυτό δεν είναι συνδεδεμένο με το νευρικό τους σύστημα. Ωστόσο, αυτές οι αισθήσεις επιβεβαιώνουν ότι ακόμα και όταν ένα άκρο έχει αποσυνδεθεί από το νευρικό σύστημα, τα νεύρα που κάποτε το εξυπηρετούσαν παραμένουν ζωντανά και υγιή. Οι ιατροί βρίσκουν πλέον τρόπους ώστε να χρησιμοποιηθούν αυτά τα νεύρα, με την επανασύνδεσή τους με προθετικά ή παράλυτα άκρα για τον καλύτερο έλεγχό τους.
H «καλωδίωση» του νευρικού συστήματος με αυτόν τον τρόπο θα επιτρέψει σε ανθρώπους με ακρωτηριασμό να νιώσουν το προθετικό τους άκρο ως «ενσωματωμένο». Με τον έλεγχο και την αίσθηση του τεχνητού μέλους, χρησιμοποιώντας τις ίδιες νευρικές απολήξεις και τα ίδια μέρη του εγκεφάλου που κάποτε έλεγχαν το φυσικό μέλος, το τεχνητό μπορεί να γίνει αισθητό ως πραγματική επέκταση του σώματος του χρήστη. Και με την διέγερση των νευρών στα κάτω ή άνω άκρα των ανθρώπων με παράλυση είναι δυνατό να αποκατασταθεί μια συντονισμένη απαλή κίνηση. Για παράδειγμα, μπορούν να διεγερθούν τα χέρια που έχουν παραλύσει ώστε να μπορέσει ο χρήστης να πιάσει και να γυρίσει το πόμολο μιας πόρτας. Ή με προσεχτικό έλεγχο και συντονισμό των μυών των ποδιών, να μπορέσει να κάνει κάποια βήματα.
«Τα προθετικά άκρα εξελίσσονται ολοένα και περισσότερο, αλλά μπορεί να είναι πολύ δύσκολο να τα ελέγχει κανείς με έναν φυσικό τρόπο», λέει ο Paul Marasco, μηχανολόγος βιοϊατρικής στο Τμήμα Louis Stokes Cleveland του Ιατρικού Κέντρου Απόμαχων, στο Οχάιο. «Για παράδειγμα, κάποιοι ασθενείς ελέγχουν ορισμένες μηχανικές κατασκευές με τους μυς του κολοβώματος στο πόδι, του ώμου ή του θώρακος. Αυτές οι κινήσεις των μυών ανιχνεύονται από ηλεκτρομυογραφικούς αισθητήρες (EMG) στο δέρμα και τα σήματα μεταφράζονται σε κινήσεις από το προθετικό μέλος.»
Αυτή η προσέγγιση μπορεί να δώσει απίστευτο έλεγχο του χρήστη πάνω στο τεχνητό μέλος, αλλά οι περισσότεροι συνήθως προτιμούν να έχουν πιο απλά μηχανικά προθετικά μέλη. Με αυτά τα απλά μέλη υπάρχει έστω μια ελάχιστη δυνατότητα αίσθησης της κίνησης, του τεχνητού άνω άκρου για παράδειγμα, μέσα από ένα καλωδιακό σύστημα που ελέγχει την συσκευή, το οποίο συνδέεται συνήθως με τον αντίθετο ώμο. Επομένως, ακόμα και με κλειστά μάτια μπορεί κάποιος να νιώσει την προέκταση του τεχνητού μέλους ή την αντίσταση σε κάποια κίνηση, κάτι που κάνει το προθετικό μέλος να γίνεται περισσότερο αντιληπτό ως μέρος του σώματος από ό,τι στην περίπτωση των EMG αισθητήρων. Ακόμα ένα πρόβλημα με τα προθετικά μέλη που χρησιμοποιούν ηλεκτρομυογραφικούς αισθητήρες EMG είναι ότι οι χρήστες πρέπει στην κυριολεξία να επανεκπαιδεύσουν τον εγκέφαλό τους ώστε να κάνουν νέες συσχετίσεις μεταξύ των μυϊκών κινήσεων και των αποτελεσμάτων που θέλουν να επιτύχουν.
Υπάρχει τρόπος να ξεπεραστούν αυτές οι δυσκολίες με την τεχνική της στοχευμένης επανασύνδεσης των νεύρων (targeted reinnervation). Η τεχνική αυτή που αναπτύχθηκε από τον Todd Kuiken, διευθυντή του Ινστιτούτου Αποκατάστασης του Σικάγο, μαζί με τους συναδέλφους του Aimee Schultz, Blair Lock και Dr.Marasco, συμπεριλαμβάνει την επανασύνδεση των νεύρων που αρχικά έλεγχαν το ακρωτηριασμένο μέλος, με άλλα μέρη του σώματος. Με την «καλωδίωση» των κινητικών νευρώνων με τους μυς που έχουν απομείνει στο κολόβωμα του ποδιού, τον ώμο ή τον θώρακα για παράδειγμα, και την επανασύνδεση των αισθητηριακών νευρώνων στο δέρμα αυτών των περιοχών, ανοίγεται το «κανάλι» στο τμήμα του εγκεφάλου που ήλεγχε το μέλος πριν τον ακρωτηριασμό.
Είναι κάπως παράξενη η σύλληψη αυτής της τεχνολογίας, καθώς σημαίνει ότι εάν ένας χρήστης προσπαθήσει να τεντώσει το ακρωτηριασμένο δάχτυλο για παράδειγμα, θα συσταλεί ένας άλλος μυς σε άλλο μέρος του σώματος (που θα είναι πλέον συνδεδεμένο με τα νεύρα που ήλεγχαν το δάχτυλο). Οι ηλεκτρομυογραφικοί αισθητήρες (EMG) εντοπίζουν τα σήματα αυτά και τα μεταφράζουν σε κίνηση. Ο χρήστης θα μπορεί τότε να ανοίγει και να κλείνει το τεχνητό χέρι απλά προσπαθώντας να κινήσει τα δάχτυλα που πλέον δεν υπάρχουν.
Με παρόμοιο τρόπο λειτουργεί και η αίσθηση, με τη διαφορά ότι τα νεύρα συνδέονται σε περιοχές του δέρματος και όχι σε μυς. «Συνδέονται με τους αισθητήρες στο δέρμα», λέει ο Dr. Marasco. Όταν αγγιχθούν αυτές οι περιοχές, καταγράφεται ως αίσθηση στο ακρωτηριασμένο άκρο. «Νιώθουν διάφορες αισθήσεις, όπως δονήσεις, θερμοκρασία και πίεση», λέει ο ίδιος. Αυτό θεωρητικά σημαίνει ότι οι αισθητήρες στο τεχνητό μέλος μπορούν να προκαλέσουν πραγματικές αισθήσεις.
Το πρώτο περιστατικό επανασύνδεσης αισθητηριακών νεύρων έγινε κατά λάθος(!) το 2003 όταν έγινε η πρώτη επέμβαση για την σύνδεση των κινητικών νευρών σε διαφορετικούς μυς. Αρκετοί ασθενείς έκαναν την συγκεκριμένη επέμβαση, αλλά στην πορεία τα αισθητηριακά νεύρα άρχισαν επίσης να επανασυνδέονται από μόνα τους στους αισθητηριακούς υποδοχείς του δέρματος. Αυτό διαπιστώθηκε όταν ο ασθενής δέχθηκε ένεση αλκοόλης στο θώρακά του και παρατήρησε ότι το ένιωσε στο ακρωτηριασμένο άκρο του.
Για να μπορέσουν να έχουν αίσθηση οι άνθρωποι στο τεχνητό μέλος θα πρέπει να αναπτυχθούν αισθητήρες που θα προσαρμόζονται στα τεχνητά μέλη, καθώς και αντίστοιχες συσκευές για την διέγερση των επανασυνδεδεμένων αισθητηριακών νεύρων στο δέρμα. Γι’ αυτόν τον σκοπό ο Dr Marasco και οι συνάδελφοί του συνεργάζονται με τον Ed Colgate, ειδικό στην απτική τεχνολογία στο πανεπιστήμιο Northwestern στο Evanston, για τη δημιουργία απτικών συσκευών που μπορούν να συνδεθούν με το δέρμα του χρήστη.
Έχουν αναπτυχθεί και δοκιμαστεί ήδη πολυαισθητηριακές συσκευές σε ακρωτηριασμένους που επιτρέπουν την αίσθηση επαφής, δονήσεων, πίεσης και θερμοκρασίας. Αυτά τα πρότυπα χρησιμοποιούν μηχανική διέγερση για την πρόκληση αισθήσεων, και ηλεκτρικές συσκευές Peltier για την αντίληψη της θερμοκρασίας. Οι χρήστες βιώνουν αυτές τις αισθήσεις στο ακρωτηριασμένο άκρο τους, ενώ ένας από αυτούς μπόρεσε ακόμα και να διακρίνει την υφή μεταξύ χαρτιού και καλωδίου, με την χρήση τεχνητών απτικών αισθητήρων.
Παρόλο που στον θώρακα, τον ώμο και το ανώτερο μέρος του χεριού υπάρχουν πολύ λιγότεροι αισθητηριακοί υποδοχείς από ό,τι στην παλάμη, η αίσθηση της αφής αυξάνεται αρκετά όταν γίνεται επανασύνδεση των νεύρων σε αυτές τις περιοχές. Δεν είναι ξεκάθαρο πώς, αλλά πιθανώς εξηγείται από τον τρόπο που ο εγκέφαλος αντιλαμβάνεται αυτά τα σήματα. «Φαίνεται ότι ο εγκέφαλος αποδίδει τελικά περισσότερη ενέργεια σε αυτά τα νεύρα», λέει ο Dr. Masasco. «Παραμένει να μάθουμε το πόσο ακριβώς μπορεί να αναβαθμιστεί η αίσθηση αφής σε αυτά τα σημεία».
Τί συμβαίνει στην περίπτωση των παράλυτων μελών
Όσον αφορά στην «καλωδίωση» των νεύρων των παράλυτων μερών του σώματος, απαιτείται μια διαφορετική προσέγγιση. Οι ερευνητές πρέπει – σε αντίθεση με την περίπτωση των ακρωτηριασμένων μελών – να στοχεύσουν στα βαθύτερα νεύρα που ελέγχουν την κίνηση. Η ιδέα της ηλεκτρικής διέγερσης δεν είναι νέα. Ωστόσο, «η εξωτερική διέγερση είναι κάτι λιγότερο από ιδανική», λέει ο Dustin Τyler, μηχανολόγος βιοϊατρικής στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο. Οι μυς στα πόδια είναι τόσο μεγάλοι που δεν συστέλλεται ολόκληρος ο μυς. Ο ίδιος και οι συνάδελφοί του προσπαθούν να βρουν τρόπους ώστε να ενεργοποιήσουν αυτούς τους μυς με εισχώρηση στο μηριαίο νεύρο στη βουβωνική χώρα. «Εισχωρώντας στο νεύρο, εισχωρείς και σε ολόκληρο τον μυ».
Η διέγερση γίνεται με ηλεκτρόδια που τυλίγονται γύρω από δεσμίδες νευρώνων του μηριαίου νεύρου. Το πρόβλημα ωστόσο είναι ότι κάθε τέτοια δεσμίδα περιέχει εκατοντάδες αν όχι χιλιάδες νευρώνες, οι οποίοι είναι στενά συνδεδεμένοι μεταξύ τους, κάτι που δυσκολεύει την διέγερση του καθενός ξεχωριστά. Αλλά ο Dr. Tyler έχει δημιουργήσει ένα ηλεκτρόδιο που επιτρέπει την διάκριση των ξεχωριστών νευρώνων με μια ομαλή «ισοπέδωση» του μηριαίου νεύρου χωρίς να το καταστρέφει. Τα περισσότερα ηλεκτρόδια σχεδιάζονται σύμφωνα με την υπόθεση ότι τα νεύρα είναι στρογγυλοποιημένα. Ωστόσο, με τον τρόπο της «ισοπέδωσης» οι ομάδες νευρώνων γίνονται αμέσως πιο προσιτές.
Με τον έλεγχο της έντασης και της πυκνότητας των ηλεκτρικών κυμάτων που εφαρμόζονται είναι δυνατό να καθοριστεί με ακρίβεια η μάζα των ιστών που μπορεί να συσταλεί. Σε μια πειραματική δοκιμή, ένας συμμετέχοντας με παράλυση στα χέρια κατάφερε να πιάσει ένα αντικείμενο. Ελπίζουν ότι θα μπορέσουν να δοκιμάσουν την τελευταία τους εφαρμογή τον Νοέμβριο 2010.
Ωστόσο, δεν είναι ξεκάθαρο πώς θα μπορέσει ένας χρήστης να ελέγχει ένα τέτοιο σύστημα προκειμένου να έχει ολοκληρωμένη κινητικότητα. Προς το παρόν οι επιστήμονες σκέφτονται να χρησιμοποιήσουν μια πλατφόρμα joystick για ανθρώπους με παραπληγία (που έχουν έλεγχο του άνω σώματος), ώστε να ενεργοποιήσουν συντονισμένες κινήσεις, όπως το να σταθούν όρθιοι, να βαδίσουν ή να καθίσουν. Μακροπρόθεσμα, ελπίζουν ότι θα μπορέσουν να τοποθετήσουν μόνιμα αυτά τα ηλεκτρόδια στο τμήμα του εγκεφάλου που ελέγχει την κίνηση.
Όμως αυτός ο στόχος βρίσκεται ακόμα αρκετά μακριά. Ωστόσο, η στοχευμένη επανασύνδεση των νεύρων είναι διαθέσιμη ως θεραπεία αποκατάστασης. Περισσότεροι από 40 άνθρωποι στον κόσμο έχουν κάνει μέχρι τώρα αυτή την επέμβαση. Παρόλο που προς το παρόν οι χρήστες κάνουν την επέμβαση για να κινούν το τεχνητό τους μέλος, σύντομα θα υπάρχει συγχρόνως και η δυνατότητα αίσθησης. Και αυτά είναι μόλις τα πρώτα παραδείγματα του τί μπορεί να επιτευχθεί με την ανακατεύθυνση των νεύρων και την σύνδεσή τους με ηλεκτρονικές και ρομποτικές συσκευές.
4 Σεπτεμβρίου 2010
The Economist Technology Quarterly
Απόδοση: Ελένη Στρατή, Κοινωνιολόγος