nachricht

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durch die einfache implantation von elektrodenchips in gehirn und rückenmark und den aufbau eines „neuralen bypasses“ zwischen gehirn und rückenmark können gelähmte patienten möglicherweise die unabhängige kontrolle über ihre muskeln wiedererlangen und die fähigkeit zum stehen und gehen in ihren unteren gliedmaßen wiedererlangen.

das fudan institute of brain-inspired intelligence science and technology und ein team junger lehrer aus fumin haben eine neue generation implantierbarer gehirn-wirbelsäulen-schnittstellengeräte für patienten mit rückenmarksverletzungen entwickelt und damit patienten mit rückenmarksverletzungen hoffnung gegeben, dass sie es ertragen können gehen.

kürzlich stach das verwandte projekt „entwicklung von schlüsseltechnologien und systemen für implantierbare gehirn-wirbelsäulen-schnittstellen“ unter rund 1.400 einsendungen hervor und gewann den national disruptive technology innovation competition 2024. die erste klinische studie wird voraussichtlich bis ende des jahres durchgeführt jahr.

durch die implantation minimalinvasiver elektroden können gelähmte patienten möglicherweise problemlos gehen

als „informationsautobahn“, die das gehirn und das periphere nervensystem verbindet, können bei einer schädigung des rückenmarks keine anweisungen vom gehirn an die muskeln weitergeleitet werden und der patient verliert die fähigkeit, sich selbstständig zu bewegen. die wiederherstellung der bewegungsfähigkeit von patienten mit durch eine rückenmarksverletzung verursachten lähmungen war schon immer ein großes problem in der medizinischen gemeinschaft.

aufgrund der irreversibilität von nervenschäden sind aktuelle behandlungen für patienten mit rückenmarksverletzungen nur begrenzt wirksam. bis in die letzten jahre haben studien bestätigt, dass die epidurale elektrische stimulation des rückenmarks die neuromuskuläre aktivität reaktivieren und die motorische rehabilitation nach einer rückenmarksverletzung deutlich fördern kann. im jahr 2023 führte das team von dr. grégoire courtine von der ecole polytechnique fédérale de lausanne in der schweiz forschungen durch es entschlüsselt gehirnsignale und stimuliert elektrisch die relevanten bereiche der unteren gliedmaßen des rückenmarks, verbindet die nervenbahnen des gehirns und des rückenmarks, ermöglicht patienten mit tetraplegie das autonome gehen und formt sogar synapsen in bereichen mit rückenmarksverletzungen um. ermöglicht dem patienten das gehen ohne stimulation. fähigkeit, gelähmte muskeln willentlich zu kontrollieren.

obwohl das schweizer team zunächst die möglichkeit einer cerebrospinalen schnittstelle zur erzielung einer funktionellen wiederherstellung bei patienten mit rückenmarksverletzungen überprüft hat, gibt es immer noch viele mängel in aspekten wie der dekodierung elektrischer gehirnbewegungen, der personalisierten rekonstruktion der spinalnervenwurzeln, der systemintegration und der klinischen anwendung. als reaktion auf diese probleme führte jiafumins team forschung und entwicklung einer neuen generation von gehirn-wirbelsäulen-schnittstellentechnologie durch, die die merkmale „hohe präzision, hoher durchsatz, hohe integration und geringe latenz“ aufweist.

die erste zentrale herausforderung besteht darin, die wurzeln des spinalnervs präzise zu stimulieren und abwechselnd die entsprechenden muskelgruppen der unteren gliedmaßen zu aktivieren, um den gang wiederherzustellen. um dieses problem anzugehen, nutzte das team von jia fumin die 3t-magnetresonanztomographieausrüstung des zhangjiang imaging center, um auf innovative weise ein bildgebungsschema zu entwerfen, das mehrere scansequenzen umfasst, und erstellte ein automatisiertes rekonstruktionsalgorithmusmodell auf der grundlage künstlicher markierungen, um die wurzelstruktur des spinalnervs genau zu erfassen des lumbosakralen segments. relevante daten und das generierte individualisierte spinalnervenwurzelmodell wurden kürzlich als open source bereitgestellt und bieten experten auf dem gebiet der neurologischen rehabilitation unterstützung bei der durchführung von grundlagenforschung zur neuroregulation des rückenmarks.

3d-modell der bildrekonstruktion der spinalnervenwurzel. die bilder in diesem artikel stammen alle vom offiziellen wechat-konto der „fudan university“.

darüber hinaus erfordert der ideale gehprozess eine echtzeitoptimierung und anpassung der räumlich-zeitlichen stimulationsparameter des rückenmarks auf der grundlage der bewegungsergebnisse der haltung der unteren extremitäten, was eine echtzeitüberwachung des gangs erfordert. das jiafumin-team nutzt multimodale technologien wie infrarot-bewegungserfassung, elektromyographie, trägheitssensoren und plantardruckpolster, um einen gesunden gang und verschiedene datensätze zu abnormalem gang zu erstellen und algorithmusmodelle zu erstellen, um populations-, modalitäts- und cross-cross-funktionen zu erreichen - art der kontinuierlichen hochleistungsverfolgung der gangbahn, die den grundstein für die gehirn-wirbelsäulen-schnittstellentechnologie legt.

multimodale echtzeitüberwachung der gangbahn

die bestehende schnittstelle zwischen gehirn und wirbelsäule basiert auf einem implantationsmodell mit mehreren geräten, das die implantation von zwei eeg-erfassungsgeräten in den linken und rechten motorischen kortex des gehirns und ein gerät zur rückenmarksstimulation im rückenmark erfordert. das jiafumin-team schlug einen „drei-in-eins“-systemdesignplan vor, der drei geräte in ein kranial implantierbares mikrogerät integriert, was nicht nur die postoperativen wunden des patienten reduziert, sondern auch die integration von sammlung und stimulation ermöglicht, was dem patienten ermöglicht die unabhängige bewegung wird in einem geschlossenen regelkreis gesteuert. diese lösung kann den dekodierungsprozess von außerhalb des körpers in den körper übertragen, die stabilität und effizienz der eeg-signalerfassung verbessern und letztendlich eine dekodierungsgeschwindigkeit und stimulationsbefehlsausgabe von 100 millisekunden erreichen – die reaktionszeit eines normalen menschen beträgt etwa 200 millisekunden , was bedeutet, dass patienten mit rückenmarksverletzungen in zukunft einen natürlicheren und sanfteren gang haben werden.

zehn jahre des schärfens des schwertes, des „voranschleichens“ angesichts der probleme der welt

bevor jia fumin ein team leitete, das selbstständig forschungen zu gehirn-wirbelsäulen-schnittstellensystemen durchführte, studierte er bei akademiker li luming von der tsinghua-universität und konzentrierte sich auf die forschung auf dem gebiet der implantierbaren neuromodulation.

von 2010 bis 2020 war jia fumin als eines der kernmitglieder des national engineering research center for neuromodulation unter der leitung des akademikers li luming an der forschung und entwicklung sowie der klinischen transformation der ersten generation implantierbarer neuromodulationsgeräte meines landes beteiligt, und zwar unter der leitung der von akademiker li luming entwickelte internationale erste hirnschrittmacher mit variabler frequenz löst das klinische problem der kontrolle der komplexen symptome der parkinson-krankheit. als jemand, der den gesamten prozess der neuromodulationsindustrie meines landes von der „verfolgung“ über die „parallelierung“ bis zur „führung“ miterlebt hat, verfügt jia fumin über ein tiefes verständnis für die schwierigkeiten, klinische bedürfnisse in wissenschaftliche forschungsergebnisse umzuwandeln.

„im leben sollte man sich dafür entscheiden, schwierige und richtige dinge zu tun und seine these über das mutterland zu schreiben. jia fumin war tief von diesem konzept beeinflusst und wandte seine aufmerksamkeit dem bereich der gehirn-wirbelsäulen-schnittstellenforschung zu, die auch eine „welt“ ist problem", in der hoffnung, die vergangenheit in den vordergrund zu rücken. erfahrung angewendet auf patienten mit rückenmarksverletzungen.

der „umfragebericht 2023 zur lebensqualität und krankheitslast von menschen mit rückenmarksverletzungen in china“ zeigt, dass es in china 3,74 millionen patienten mit rückenmarksverletzungen gibt und jedes jahr etwa 90.000 neue patienten mit rückenmarksverletzungen hinzukommen. „wenn gelähmte patienten aufstehen können, ist das ein durchbruch von 0 auf 1.“ allerdings ist es nicht einfach, dieses große problem zu überwinden. jia fumin prognostiziert, dass es mindestens zehn jahre dauern wird, bis die gehirn-wirbelsäulen-schnittstellentechnologie von der grundlagenforschung zur klinischen umsetzung übergeht, und er ist bereit für einen langwierigen kampf.

das fudan university institute of brain-inspired intelligence science and technology (bezeichnet als „brain-inspired institute“) ist eine der ersten von inländischen universitäten gegründeten übergreifenden forschungsinstitutionen für hirnforschung und gehirninspirierte spitzenforschung führen sie gehirn- und vom gehirn inspirierte forschung angesichts großer globaler wissenschaftlicher und technologischer grenzen und nationaler strategien durch. bedeutende originelle innovationen in den bereichen grundlegende, vom gehirn inspirierte theorien, spitzentechnologieforschung und anwendungstransformation. im jahr 2020 trat jia fumin hauptberuflich dem brain institute bei und forschte weiterhin in einem internationalen akademischen umfeld, das originalität, freie forschung und multidisziplinäre zusammenarbeit fördert. „ich habe sehr von fudans fundierten grundlagen in grundlagenmedizin, künstlicher intelligenz und neuroimaging profitiert“, sagte jia fumin.

bei der betreuerauswahlsitzung entschied sich liu jionghui, ein doktorand im jahr 2022 in biomedizintechnik, für den beitritt zum jiafumin-team und wurde der erste student im team. „ich hoffe, während meiner doktorarbeit etwas sinnvolles für die gesellschaft zu tun und dabei meinen eigenen wert zu erkennen.“ liu jionghui ist derzeit hauptsächlich für die mrt-bildrekonstruktion von spinalnervenwurzeln, individualisierte modellierung und neuromuskuloskelettale modellsimulationsberechnungen verantwortlich und versorgt patienten mit hoher qualität -präziser nervenwurzelaufbau und personalisierte stimulationsprogramme.

seitdem hat jia fumin in aller stille mit ein oder zwei studenten an der gehirn-wirbelsäulen-schnittstelle „gebastelt“. mittlerweile besteht das team aus industrie, universität und forschung aus fast 30 personen. er bezeichnete seinen jahrelangen forschungsprozess als „schleichendes voranschreiten“, „das halten von außengeräuschen und das stille studieren, bis er gelähmte patienten wieder gehen sah.“ mit der starken unterstützung des fudan-baoshan science and technology innovation center und des brain institute hat jia fumin aktiv ein labor für die schnittstelle zwischen gehirn und wirbelsäule aufgebaut. die hauptforschungsrichtung ist die wiederherstellung und rekonstruktion der gehfunktion der unteren extremitäten bei patienten mit rückenmarksverletzungen auf dieser grundlage wird das potenzial der neuromodulationstechnologie für mehrere indikationen untersucht.

in den letzten vier jahren hat das team gleichzeitig grundlagenforschung, softwareentwicklung, algorithmeniteration, experimentelle verifizierung und andere arbeiten durchgeführt. derzeit hat es zunächst die ansammlung von schlüsseltechnologien für die raumzeitliche stimulation des rückenmarks und die schnittstelle zwischen gehirn und wirbelsäule abgeschlossen. und hat den wirksamkeitsnachweis bei tieren erbracht und damit die notwendigen voraussetzungen für eine klinische anwendung erfüllt. es wird erwartet, dass das team bis ende dieses jahres mit relevanten experten aus inländischen tertiärkrankenhäusern zusammenarbeiten wird, um die erste klinische studie durchzuführen.

in der nächsten phase plant jiafumin, die produktentwicklung und die klinische transformation von schlüsseltechnologien für implantierbare cerebrospinale schnittstellen abzuschließen. gleichzeitig entwickeln wir weiterhin eine reihe neuer neuromodulationsmethoden und -technologien für patienten mit rückenmarksverletzungen, beispielsweise die entwicklung tragbarer neuromodulationsgeräte und multimodaler bewegungsüberwachungssysteme für patienten mit leichten symptomen, um deren schmerzen zu lindern die familien von patienten mit rückenmarksverletzungen und deren angehörige werden in größerem umfang sozialmedizinisch belastet.

langfristig hofft das jiafumin-team mit der vision, dass „ursprüngliche technologie der welt dient“, durch die entwicklung von drei arten aktiver implantierbarer innovativer medizinischer geräte ein unabhängiges geistiges eigentumssystem für intelligente gehirn-wirbelsäulen-schnittstellen zu etablieren, so dass 20 millionen patienten mit rückenmarksverletzungen auf der ganzen welt können davon profitieren.

disruptive technologische innovationen erfordern einen stetigen zufluss von frischem blut. im august dieses jahres wurde das forschungszentrum für neuromodulation und gehirn-computer-schnittstelle der fudan-universität offiziell gegründet. als leiter der abteilung für zerebrospinale schnittstellen des zentrums heißt jia fumin junge studenten in den bereichen grundlagenmedizin, materialwissenschaften, informatik, mathematik und physik willkommen das team hat einen weg zur förderung von talenten in den bereichen neuromodulation und gehirn-computer-schnittstelle durch die forschung und entwicklung von gehirn-wirbelsäulen-schnittstellenprojekten erkundet. „ich glaube, dass in zukunft immer mehr neuromodulationstalente an der fudan-universität heranwachsen werden“, sagte er mit großer erwartung.