29/02/2024
Door Ad Spijkers
Volgens onderzoekers van de ETH Zürich werken neuroprothesen beter als ze signalen gebruiken die de natuur nabootsen.
Een paar jaar geleden meldden onderzoekers van het Neuroengineering Lab van de Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH) dat geamputeerden dankzij prothetische benen voor het eerst het vervangende lichaamsdeel konden voelen. De momenteel beschikbare beenprothesen ondersteunen geamputeerden. De prothesen van de ETH-onderzoekers werden met behulp van geïmplanteerde elektroden verbonden met de heupzenuw in de dijstomp.
Hierdoor konden de neuroprothesen informatie doorgeven aan de hersenen, bijvoorbeeld over de voortdurend veranderende drukbelasting op de prothesevoet tijdens het lopen. Dit betekende dat de proefpersonen het vervangende lichaamsdeel meer vertrouwden – en sneller konden lopen, zelfs op moeilijke ondergronden.
Model simuleert zenuwactiviteit
In tegenstelling tot de experimentele beenprothese van ETH kunnen de huidige neuroprothesen nog geen natuurlijk gevoel te creëren. In plaats daarvan leiden ze vaak tot onaangename sensaties zoals tintelingen op de huid. Dit komt waarschijnlijk doordat de huidige neuroprothesen regelmatig herhaalde elektrische pulsaties gebruiken om het zenuwstelsel te stimuleren. Dit is onnatuurlijk en inefficiënt. Bij het ontwikkelen van de volgende generatie neuroprothesen is het de moeite waard om te vertrouwen op biomimetische stimulatie, d.w.z. signalen die gebaseerd zijn op de natuur,.
Om dergelijke biomimetische signalen te kunnen genereren, ontwikkelden de onderzoekers een computermodel genaamd FootSim. Het is gebaseerd op gegevens van onderzoekers in Canada die de activiteit van speciale sensorische cellen, zogenaamde mechanoreceptoren, in de voetzool registreerden. Dit deden ze terwijl ze de voeten van gezonde vrijwilligers op verschillende punten aanraakten met een trillende staaf.
Het model simuleert het dynamische gedrag van een groot aantal mechano-receptoren in de voetzool en berekent de zenuwsignalen die razendsnel van de voet via het been naar de hersenen gaan. Dit gebeurt vanaf het moment dat de hiel van de voet de grond raakt, waarna het gewicht van het lichaam over de buitenrand van de voet rolt totdat de tenen weer omhoog worden getrokken voor de volgende stap. Het model laat zien hoe de sensorische cellen in de voetzolen zich gedragen tijdens het lopen of rennen, wat experimenteel niet te meten is.
Informatie-overload
Onderzoekers in Zürich, Duitsland, Servië en Rusland testten hoe goed deze door het model berekende biomimetische signalen overeenkomen met echte zenuwsignalen. Dit gebeurde in een experiment met katten, wier zenuwstelsel bewegingen op een vergelijkbare manier verwerkt als dat van mensen. De experimenten werden uitgevoerd in overeenstemming met de relevante richtlijnen van de Europese Unie.
De onderzoekers implanteerden elektroden, waarvan ze sommige verbonden met de zenuw in het been en andere met het ruggenmerg, om te lezen hoe de signalen in het zenuwstelsel werden doorgegeven. Onderzoekers oefenden van onderaf druk uit op de poot van de kat, wat natuurlijke zenuwactiviteit opwekte tijdens de stap van een kat. De activiteitspatronen die in het ruggenmerg werden geregistreerd, leken op de patronen die in het ruggenmerg verschenen nadat de onderzoekers de zenuw in het been stimuleerden met biomimetische middelen.
Daarentegen produceerde conventionele stijve stimulatie van de heupzenuw in de dij van de kat een significant ander patroon in het ruggenmerg. De stimulatiemethoden zorgen er blijkbaar voor dat de neurale netwerken in de wervelkolom worden overspoeld met informatie. Deze overbelasting zou de reden kunnen zijn voor de onaangename sensaties of paresthesie die sommige patiënten melden bij het dragen van neuroprothesen.
Taal van het zenuwstelsel
De onderzoekers hebben in de klinische studie met beenamputaties aangetoond dat biomimetische stimulatie superieur is aan rigide stimulatie. De naar de natuur gemodelleerde signalen leidden tot duidelijk betere resultaten. De proefpersonen konden sneller trappen lopen en maakten ook minder fouten bij het achterstevoren spellen van woorden tijdens het traplopen. Dankzij biomimetische neurostimulatie kunnen de proefpersonen zich tijdens het lopen ook op andere dingen concentreren. Dit laat zien dat dit soort stimulatie op een natuurlijkere manier wordt verwerkt en de hersenen minder belast.
Onderzoekers aan het Institut für Robotik und Intelligente Systeme aan de ETH denkt dat de nieuwe bevindingen niet alleen belangrijk zijn voor de beenprothesen. Voor een aantal andere instrumenten en apparaten – zoals ruggengraatimplantaten of elektroden voor hersenstimulatie – is het belangrijk om afstand te nemen van de onnatuurlijke, strikt repetitieve stimulatie die tot nu toe werd gebruikt en om biomimetische signalen te gebruiken.
"We moeten de taal van het zenuwstelsel leren. Dan kunnen we zo met het brein communiceren dat het ons goed begrijpt", aldus de onderzoekers. Ze zullen de resultaten ook kunnen gebruiken voor verdere ontwikkelingen in de robotica.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Pietro Comaschi