Zespół naukowców ze Szkoły Medycznej Uniwersytetu Wake Forest i Uniwersytetu Południowej Kalifornii (USC) zademonstrował pierwsze udane zastosowanie protezy neuronowej do przywoływania określonych wspomnień.
Wyniki ukazały się w Internecie w czasopiśmie Frontiers in Computational Neuroscience.
To przełomowe badanie wyprowadzono z badania przeprowadzonego w 2018 r. przez zespół Wake Forest i USC pod kierunkiem dr Roberta Hampsona, profesora medycyny regeneracyjnej, neurobiologii translacyjnej i neurologii w Szkole Medycznej Uniwersytetu Wake Forest, które wykazało pomyślne wdrożenie systemu protetycznego która wykorzystuje własne wzorce pamięci danej osoby, aby ułatwić mózgowi kodowanie i przywoływanie pamięci.
W poprzednim badaniu elektroniczny system protetyczny zespołu opierał się na nieliniowym modelu matematycznym z wieloma wejściami i wieloma wyjściami (MIMO), a badacze wpłynęli na wzorce wyzwalania wielu neuronów w hipokampie, części mózgu zaangażowanej w tworzenie nowych wspomnienia.
W tym badaniu naukowcy zbudowali nowy model procesów, które pomagają hipokampowi w pomaganiu ludziom w zapamiętywaniu określonych informacji. Kiedy mózg próbuje przechowywać lub przywoływać informacje takie jak „Wyłączyłem piec” lub „Gdzie położyłem kluczyki do samochodu?” grupy komórek współpracują ze sobą w zespołach neuronowych, które aktywują się, dzięki czemu informacja jest przechowywana lub przywoływana. Wykorzystując nagrania aktywności tych komórek mózgowych, badacze stworzyli model dekodowania pamięci (MDM), który pozwolił im rozszyfrować, jaka aktywność neuronowa wykorzystywana jest do przechowywania różnych fragmentów określonych informacji. Aktywność neuronową zdekodowaną przez MDM wykorzystano następnie do stworzenia wzorca, czyli kodu, który stosowano do stosowania neurostymulacji hipokampa, gdy mózg próbował zapisać tę informację.
„W tym miejscu nie tylko podkreślamy innowacyjną technikę neurostymulacji w celu poprawy pamięci, ale także pokazujemy, że stymulowanie pamięci nie ogranicza się tylko do ogólnego podejścia, ale można je również zastosować do konkretnych informacji, które są krytyczne dla danej osoby” – powiedział Brent Roeder, doktorant, pracownik naukowy na wydziale neuronauki translacyjnej w Wake Forest University School of Medicine i współautor badania.
Do zespołu włączono 14 dorosłych chorych na padaczkę, którzy uczestniczyli w procedurze diagnostycznej mapowania mózgu, w której wykorzystano chirurgicznie wszczepione elektrody umieszczone w różnych częściach mózgu w celu ustalenia źródła napadów padaczkowych. Uczestnicy przeszli wszystkie zabiegi chirurgiczne, monitorowanie pooperacyjne i badania neurokognitywne w jednym z trzech ośrodków uczestniczących w tym badaniu, w tym w Atrium Health Wake Forest Baptist Medical Center, Keck Hospital of USC w Los Angeles i Rancho Los Amigo National Rehabilitation Center w Downey w Kalifornii .
Zespół przeprowadził stymulację elektryczną MDM podczas zadań związanych z pamięcią rozpoznawania wzrokowego, aby sprawdzić, czy stymulacja może pomóc ludziom lepiej zapamiętywać obrazy. Odkryli, że gdy stosowali tę stymulację elektryczną, nastąpiły znaczące zmiany w tym, jak dobrze ludzie zapamiętywali różne rzeczy. W około 22% przypadków zaobserwowano zauważalną różnicę w wydajności.
Kiedy przyjrzeli się konkretnie uczestnikom z zaburzeniami pamięci, którym poddano stymulację obu półkul mózgowych, prawie 40% z nich wykazało znaczące zmiany w wydajności pamięci.
„Naszym celem jest stworzenie interwencji, która może przywrócić funkcje pamięci utracone w wyniku choroby Alzheimera, udaru lub urazu głowy” – powiedział Roeder. „Odkryliśmy, że najbardziej wyraźna zmiana nastąpiła u osób z zaburzeniami pamięci”.
Roeder wyraził nadzieję, że tę technologię można udoskonalić, aby pomóc ludziom żyć niezależnie, pomagając im przypomnieć sobie najważniejsze informacje, takie jak to, czy zażyto leki lub czy drzwi są zamknięte.
„Chociaż potrzebne są znacznie dalsze badania, wiemy, że stymulacja oparta na MDM może zostać wykorzystana do znacznej modyfikacji pamięci” – powiedział Roeder.
Badania te opierają się na ponad 20 latach przedklinicznych badań nad kodami pamięci, prowadzonych przez dr Sama Deadwylera, emerytowanego profesora fizjologii i farmakologii na Wake Forest University School of Medicine, wraz z Hampsonem (obecnie członkiem Wake Forest Instytut Medycyny Regeneracyjnej) oraz zespół USC kierowany przez inżynierów biomedycznych dr Theodore'a Bergera i dr Dong Songa.
W badaniach przedklinicznych zastosowano ten sam rodzaj stymulacji w celu przywrócenia i ułatwienia pamięci w modelach zwierzęcych przy użyciu systemu MIMO opracowanego w USC.
Badania sfinansowała amerykańska Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w dziedzinie Obronności (DARPA).