בקטנה: מערכת חדשה בשם "נוירולייף" מאפשרת לאדם משותק להזיז מחדש את ידו, על ידי קריאת אותות שיוצרים תאי מוחו ותרגומם לפקודות עבור הפעלת שרירי היד. האם יש בכך תקווה לשיקומם של נכים, או לפחות לשיפור במצבם?
מעקף לעמוד שדרה פגוע
איאן בוקהארט בן ה-24 מהעיר דבלין שבאוהיו (ארה"ב) נפצע בשנת 2010 בתאונת צלילה שגרמה לפגיעה בחוליה הצווארית החמישית (המוגדרת בסימון C5), ונותר משותק מכתפיו ומטה. במשך ארבע השנים הראשונות שלאחר פציעתו עבר איאן תהליך שיקום, בתחילה במרכז שיקום באטלנטה ולאחר מכן במרכז הרפואי "ווקסנר" של אוניברסיטת אוהיו. בזמן ששהה באוניברסיטת אוהיו נודע לו על פיתוח ניסיוני של מערכת חדשה על ידי חברת הייטק בשם "באטל" בשיתוף רופאים וחוקרי מוח מהמרכז הרפואי. המערכת נקראת "נוירולייף" (NeuroLife) ומיועדת לאפשר למשותקים להניע מחדש את שריריהם באמצעות עקיפה של עמוד השדרה הפגוע.
"נוירולייף" כוללת שלושה מרכיבים עיקריים: שבב נושא חיישנים, שהושתל במוחו של בוקהארט, אשר קולט אותות חשמליים הנוצרים על ידי נוירונים במרכז המוטורי במוח (Motor Cortex); מחשב המפענח אותות אלה ולפיהם יוצר פקודות הפעלה לשרירים; ושרוול הכולל מערך אלקטרודות זעירות, המולבש על אמת היד וגורם להפעלת שריריה. בכך נוצר "מעקף" של עמוד השדרה הפגוע המחזיר למוח שליטה חלקית לפחות על היד המשותקת.
ממשקי מוח-מחשב
נוירולוגים ומהנדסים ביו-רפואיים פיתחו במשך עשר השנים האחרונות ממשקים המאפשרים למחשב לקרוא אותות הנוצרים על ידי תאי המוח, ולפענחם לצורך ביצוע פעולות. באמצעות סריקת fMRI (המזהה שינויים בזרימת הדם לתאי המוח בהתאם לפעילותם) ניתן למפות ולהקליט את פעילות המוח כאשר האדם חושב כיצד לבצע פעולה מסוימת.
בתחילה השתמשו בכך המפתחים להדגמת פעולות פשוטות ביותר, כגון הזזת סמן על מסך מחשב בהתאם לאותות. לאחר מכן, הגדילו את מורכבות הפעולות הנדרשות שבוצעו במחשב, לצורך פעולות כמו הפעלת משחקים פשוטים. הצעד הבא והמתבקש היה פיתוח אפשרויות לעזרה למשותקים וקטועי גפיים.
אחת השיטות שנוסו בהצלחה הייתה הפעלת זרועות רובוטיות וביוניות באמצעות ממשק למערכת העצבים (נבדיל בין רובוטי – הכוונה לאמצעי שאינו מחובר לגוף האדם, כלומר זרוע עצמאית; וביוני - המחובר פיזית לגוף כמו יד מלאכותית). ב-2012 הצליחה נפגעת שבץ מוחי שהשתתפה בניסוי לשלוט בזרוע רובוטית באמצעות שבב חיישנים שהושתל במוחה, וחובר למערכת מחשב וזרוע הנקראת BrainGate. האישה הצליחה להכין לעצמה כוס קפה ואף לשתות ממנה. בפיתוח מתקדם יותר, ב-2015, הצליחה נבדקת אחרת - משותקת לחלוטין - לשלוט בסימולטור של מטוס קרב באמצעות קריאת האותות של תאי מוחה. כמובן שלא הייתה כוונה להפוך את המשתתפת בניסוי לטייסת (גם לא של מטוס ללא טייס בשלט רחוק), אולם המחקר הראה כיצד ניתן יהיה להעניק לאנשים משותקים וקטועי גפיים אפשרות לשלוט במכשירים מורכבים בצורה זו, ובכך להקל מעט את חייהם. כך, נכה בעל ניידות מוגבלת מאוד או משותק לחלוטין, יוכל בדרך זו להפעיל מערכת של "בית חכם" לצורך ביצוע פעולות שונות, החל משליחת הודעות דרך המחשב, דרך הפעלה וכיבוי של מכשירים שונים ועד ניהוג כיסא גלגלים בו הוא יושב, ועד הפעלת זרוע רובוטית לשירותו.
פיתוח נוסף שנעשה בשנים 2013-2014 היה הניסיון להחזיר למשותקי רגליים את יכולת ההליכה באמצעות שלד חיצוני (Exoskeleton) המופעל באמצעות אותות הנקראים מן המוח. השלד החיצוני תומך את הגוף ומניע את הרגליים בהתאם לפקודות התנועה עליהן חושב ההולך. בשנת 2015 הושתלו זרועות ביוניות בעלות ממשק למערכת העצבים בקטועי ידיים. הפעלתן של הזרועות נעשתה באמצעות אותות ששודרו בעצבים הנותרים באזור הקטיעה, אותם קוראים חיישנים במקום החיבור של הזרוע לגוף. דרך חלופית שנוסתה כדי להימנע מניתוחים והשתלות במוח הייתה שימוש בכובע או בכיפת חיישנים הנחבשת על הראש בזמן הפעלת המערכות השונות.
כל השיטות שתוארו לעיל יישמו קריאה של אותות תאי המוח לצורך הפעלת מערכות שונות, אולם עד עתה לא נוסתה בהצלחה סגירת המעגל מן המוח ועד להפעלת השרירים בגוף. השליטה בשרירים השונים להשגת התנועה הרצויה הינה מורכבת יותר מהפעלת תנועה מסוימת של זרוע רובוטית או פונקציה במחשב, זאת מכיוון שהיא דורשת לימוד וכיול המשתנים מאדם לאדם והתאמה של האותות הנקלטים במוח, אשר מייצגים את התנועה הרצויה, אל מול סדרת הפעלות שרירים בעוצמה ובדיוק הנדרש. בנוסף, ההפעלה מחייבת לחשוב פרטנית על פעולת כל שריר – בשונה מההפעלה הטבעית אצל אדם בריא.
הניסוי של איאן בוקהארט
כאשר הצטרף איאן בוקהארט לניסוי המערכת החדשה לפני כשנתיים, נערכה סריקת fMRI מקיפה לשם זיהוי האזור במוחו ממנו נשלטים שרירי האמה וכף היד הימנית. איאן צפה בסרטוני הדמיה של תנועות שונות של הנעת היד והאצבעות - והתבקש לחקותן, כאילו היה מסוגל להניע את ידו. מתוך הסריקות שנעשו, נמצא אזור מעל אוזנו השמאלית שבו נצפתה מרבית הפעילות של תאי המוח בזמן הפעלת היד המדומה. איאן עבר ניתוח להשתלת שבב שגודלו כגודל אפון, ובו 96 ערוצי חישה לאותות חשמליים באותו אזור במוחו. השבב חובר באמצעות סיב דק למחבר שהותקן על הגולגולת, כדי שניתן יהיה לחבר אליו כבל חיצוני ממחשב (בעתיד מקווים החוקרים להשתמש באותות אלחוטיים, כדי לחסוך את צורת החיבור המסורבלת ובעלת הסיכון לזיהום). המחשב הקולט את האותות מן השבב מפענח אותם על פי תבניות נלמדות לצורך הפעלת השרירים ביד באמצעות מערך של 130 אלקטרודות בשרוול הנלבש על אמת היד.
כחודשיים לאחר הניתוח החל איאן להתנסות בהפעלת ידו באמצעות המערכת. הוא הצליח לבצע פעולות פשוטות יחסית, כגון סגירת ופתיחת כף היד. לאחר מכן ובמשך 15 חודשים התאמן ברציפות בביצוע פעולות שונות, עד שלוש פעמים בשבוע. במהלך האימונים אסף צוות החוקרים מידע רב על האותות שיוצרים תאי מוחו בעת ניסיונותיו לבצע את הפעולות, מהן נבנה אוסף התבניות המשמש את המחשב בתהליך של למידה ממוחשבת וניתוח סטטיסטי. בחודשים האחרונים הצליח איאן לבצע סדרת פעולות מורכבות כמו מזיגה מבקבוק לספל, בחישה בעזרת קש ואף הפעלת גיטרה המחוברת למחשב.
מערכת ה-"נוירולייף" עדיין מוגדרת כניסוי לבחינת טכנולוגיות, ולא כמערכת שתימכר באופן מסחרי. הניסוי אושר באופן מיוחד על ידי ה-FDA (מנהל התרופות והמזון הפדרלי בארה"ב, האחראי גם על אישור ניסויים מסוג זה) ותוקף האישור עומד לפוג בקיץ הקרוב. מעבר לכך, גם המימון שניתן לניסוי מטעם מדינת אוהיו, חברת באטל ותורמים פרטיים – יכסה את ההוצאות רק עד סוף שנה זו. אולם, גם ללא האילוצים החוקיים והכספיים השימוש במערכת עדיין מוגבל: ניתן להפעיל אותה רק באמצעות המחשבים הנמצאים במעבדה שבאוניברסיטה; לפני כל תרגול וניסוי יש לכייל מחדש את פקודות הפעלת התנועה מן המחשב לאלקטרודות השונות בשרוול; קיימת גם השהייה מסוימת בין קליטת הפקודות מן המוח לביצוען על ידי המחשב, המקשה על ביצוע פעולות מורכבות; ובנוסף, אפשרי בהחלט שהשתל יידחה על ידי גופו של איאן, ובכל מקרה המפתחים מעריכים שהוא יפעל עד חמש שנים. החוקרים מעוניינים להמשיך בפיתוח מערכת שתהיה ניתנת בסופו של דבר לשימוש ביתי, דהיינו מבוססת על שידור אותות אלחוטי ללא כבלים ומחברים, ופולשנית פחות ככל הניתן. אחת הכוונות היא למזער את המעבד החיצוני, המתרגם את אותות המוח לפקודות הפעלת שרירים, לגודל ומשקל שיהיו ניתנים לנשיאה על הגוף. גם המערכות שתיארנו קודם, הכוללות מרכיבים רובוטיים וביוניים, עדיין מוגדרות כניסיוניות ומחקריות ואינן נמכרות באופן מסחרי, כיוון שעוד לא אושר השימוש בהן. המשך הפיתוח במטרה להגיע למערכת לשימוש אישי צפוי לעלות סכום ניכר, ועדיין לא ברור האם חברות הטכנולוגיה העוסקות בכך תמצאנה זאת ככדאי כלכלית בהיעדר סיוע מן הגופים הממשלתיים.
איאן בוקהארט מודע לכך שההישגים שהגיע אליהם בזכות ה-"נוירולייף" הם זמניים ואולי לא יתארכו, אך הוא רואה את עצמו כחלוץ בתחום למענם של אחרים: "ידעתי שזה לא ימשך לכל חיי, אבל אני יודע שהמחקר כדי לשפר זאת נמשך על ידי אנשים רבים, ואולי במועד מאוחר יותר אזכה למשהו שאוכל להשתמש בו בחיי היום יום. בנוסף, רציתי לתת תקווה גם לאחרים שישמעו על כך". צ'אד בוטון, אחד ממפתחי המערכת שעבד ב"באטל" מוסיף: "איאן ציין בפניי כששאלתי אותו מדוע הסכים להצטרף לניסוי, למרות הסיכונים שבניתוח וחלקיותן של התוצאות, שברצונו לסייע בפיתוח טכנולוגיה שאולי תשפר את חייהם של רבים בעתיד".

מקורות:

1. Restoring cortical control of functional movement in a human with quadriplegia
2. The nerve bypass: how to move a paralysed hand
3. A Brain Implant Brings a Quadriplegic’s Arm Back to Life
4. A paralyzed man’s brain implant let him move his fingers to play a guitar video game
5. Brain Prosthetic Allows Paralyzed Man to Move His Hand Again
6. Chip, Implanted in Brain, Helps Paralyzed Man Regain Control of Hand
7. Brain Implant Gives Paralyzed Man Functional Control of Arm
8. NeuroLife™ Neural Bypass Technology
9. Paralyzed Woman Controls Robotic Arm With Her Mind
10. Man Walks With Aid of Brain-Controlled Robotic Legs
11. Woman Controls a Fighter Jet Sim Using Only Her Mind
12. Men have hands amputated and replaced with bionic ones

קרדיט תמונה: Ohio State University Wexner Medical Center/Batelle

עריכה לשונית: שלומי ג'מו