Sensorische motortransformaties in de menselijke cortex
Een haalbaarheidsstudie naar het vermogen van het neurale prothetische systeem 2 om directe corticale controle met gesloten lus te bieden van extracorporale apparaten door het gebruik van intracorticale microstimulatie bij patiënten met quadriplegie
Dit onderzoek wordt uitgevoerd om een door de hersenen bestuurd medisch apparaat te ontwikkelen, een zogenaamde brain-machine-interface. Het apparaat biedt mensen met een dwarslaesie de mogelijkheid om een extern apparaat zoals een computercursor of een robotledemaat te besturen door hun gedachten samen met sensorische feedback te gebruiken.
De ontwikkeling van een brein-machine-interface is erg moeilijk en momenteel bestaat er slechts beperkte technologie op dit gebied van de neurowetenschappen. Andere onderzoeken hebben aangetoond dat mensen met een hoge dwarslaesie nog steeds intacte hersengebieden hebben die bewegingen kunnen plannen en grijpen, maar niet in staat zijn om de bewegingsplannen uit te voeren. Het apparaat in deze studie omvat het implanteren van zeer fijne opname-elektroden in gebieden van de hersenen waarvan bekend is dat ze armbewegingsplannen maken en handgrijpinformatie en gevoelsgevoel in de hand en vingers bieden. Deze bewegings- en grijpplannen worden dan normaal gesproken naar andere delen van de hersenen gestuurd om de daadwerkelijke bewegingen uit te voeren. Door in die paden te binden en de bewegingsplansignalen naar een computer te sturen, kunnen de onderzoekers de bewegingsplannen vertalen in daadwerkelijke bewegingen door een computercursor of een robotledemaat.
Een belangrijk onderdeel van deze studie is het elektrisch stimuleren van de hersenen door een kleine hoeveelheid elektrische stroom in de elektroden in het sensorische gebied van de hersenen te brengen. Dit zal resulteren in het gevoel van aanraking in de hand en/of vingers. Deze stimulatie van de hersenen zal plaatsvinden wanneer de robotarm het object aanraakt, waardoor de hersenen kunnen "voelen" wat de robotarm aanraakt.
Het apparaat dat in deze studie wordt gebruikt, heet de Neuroport Array en wordt chirurgisch in de hersenen geïmplanteerd. Dit apparaat en de implantatieprocedure zijn experimenteel, wat betekent dat het niet is goedgekeurd door de Food and Drug Administration (FDA). Eén Neuroport Array bestaat uit een klein raster van elektroden dat in hersenweefsel wordt geïmplanteerd en een kleine kabel die van het elektrodenrooster naar een klein zandlopervormig voetstuk loopt. Dit voetstuk is ontworpen om aan de schedel te worden bevestigd en door de hoofdhuid uit te steken om verbinding met de computerapparatuur mogelijk te maken. Het bovenste gedeelte van het voetstuk heeft een beschermkap die op zijn plaats zit wanneer het voetstuk niet in gebruik is. De bovenkant van dit voetstuk en de beschermkap zijn zichtbaar aan de buitenkant van het hoofd. In dit onderzoek zullen drie Neuroport-arrays en sokkels worden geïmplanteerd, zodat drie van deze beschermkappen zichtbaar zullen zijn aan de buitenkant van het hoofd. Het is mogelijk om deze blootgestelde delen van het apparaat te bedekken met een hoed of sjaal.
De onderzoekers hopen te leren hoe veilig en effectief de Neuroport-array plus stimulatie is bij het besturen van door de computer gegenereerde beelden en objecten uit de echte wereld, zoals een robotarm, met behulp van ingebeelde bewegingen van de armen en handen.
Studie Overzicht
Toestand
Conditie
Interventie / Behandeling
Gedetailleerde beschrijving
Het langetermijndoel van deze toepassing is om de corticale verwerking van sensorische naar motorische transformaties in de menselijke hersenschors te begrijpen. Er moet een groot aantal berekeningen worden uitgevoerd om sensorisch geleide motorische controle te bereiken. Opvallend tussen deze berekeningen, moet visuele informatie van de actiedoelen worden getransformeerd van de coördinaten van het netvlies naar de coördinaten van effectoren die worden gebruikt voor beweging, bijvoorbeeld ledemaatcoördinaten voor reiken onder visuele begeleiding en naar wereldcoördinaten voor interacties in de omgeving. Zodra een object is vastgegrepen, zijn somatosensorische signalen van de hand vereist voor behendige manipulatie van vastgegrepen objecten. Interne modellen binnen het sensorische motorische pad zijn essentieel voor het inschatten van de huidige toestand van het lichaam en de externe omgeving, rekening houdend met vertragingen in sensorische feedback en het kalibreren van het lichaam naar de omgeving.
We zullen de zeldzame kans aangrijpen om opnamen te maken van populaties van enkele neuronen in een klinische studie die is ontworpen om neurale protheses te ontwikkelen voor tetraplegische deelnemers die verlamd zijn door ruggenmergletsel. Corticale implantaten van micro-elektrode-arrays zullen worden gemaakt op drie belangrijke locaties in het sensomotorische systeem: primaire motorische cortex, primaire somatosensorische cortex en posterieure pariëtale cortex. Deze micro-elektrode-arrays maken zowel opname als intracorticale microstimulatie mogelijk.
We zullen de hypothese testen dat de somatosensorische en motorische cortex ingebeelde reikwijdten vertegenwoordigen in handcoördinaten, maar de posterieure pariëtale cortex is taakafhankelijk en de neurale activiteit van de populatie kan flexibel coördinatenframes veranderen, afhankelijk van de effector die in de taak wordt gebruikt. Percepties die worden opgeroepen door intracorticale microstimulatie en ingebeelde sensaties zullen worden gebruikt om de representatie van cutane en proprioceptieve informatie in de primaire somatosensorische cortex en de posterieure pariëtale cortex te begrijpen. De te testen hypothese is dat ingebeelde gewaarwordingen en elektrisch opgewekte gewaarwordingen sterk overlappen - niet alleen in de primaire somatosensorische cortex maar ook in de posterieure pariëtale cortex. Ten slotte veronderstellen we dat de posterieure pariëtale cortex bij mensen een intern model van toestandsschatting bevat dat plasticiteit toont voor zowel natuurlijk als hersengestuurd gedrag en dit leren overbrengt naar de motorische cortex.
Deze studies zullen niet alleen ons begrip van het menselijke sensomotorische corticale circuit enorm vergroten, maar zullen ook basiskennis opleveren voor het ontwerp van toekomstige neurale prothesen.
Studietype
Inschrijving (Geschat)
Fase
- Niet toepasbaar
Contacten en locaties
Studiecontact
- Naam: Charles Liu, MD, PhD
- Telefoonnummer: 800-872-2273
- E-mail: chasliu@cheme.caltech.edu
Studie Contact Back-up
- Naam: Richard Andersen, PhD
- Telefoonnummer: 626-395-8336
- E-mail: ANDERSEN@VIS.CALTECH.EDU
Studie Locaties
-
-
California
-
Downey, California, Verenigde Staten, 90242
- Werving
- Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center
-
Contact:
- Charles Liu, MD, PhD
-
Los Angeles, California, Verenigde Staten, 90033
- Werving
- University of Southern California
-
Contact:
- Charles Liu, MD, PhD
- E-mail: cliu@usc.edu
-
Pasadena, California, Verenigde Staten, 91125
- Werving
- Richard Andersen
-
Contact:
- Richard Andersen, PhD
- Telefoonnummer: 626-395-8336
- E-mail: pejsa@vis.caltech.edu
-
-
Colorado
-
Aurora, Colorado, Verenigde Staten, 80045
- Werving
- University of Colorado Anschutz Medical Campus
-
Contact:
- Dan Kramer, MD
-
-
Deelname Criteria
Geschiktheidscriteria
Leeftijden die in aanmerking komen voor studie
Accepteert gezonde vrijwilligers
Beschrijving
Inclusiecriteria:
- Hoge cervicale spinale laesie
- Leeftijd 22-65
- In staat om geïnformeerde toestemming te geven
- In staat om instructies in het Engels te begrijpen en op te volgen
- Communiceren via spraak
- Chirurgische klaring
- Levensverwachting langer dan 12 maanden
- Reis tot 60 mijl om locaties tot vijf dagen per week te bestuderen
- Verzorger controleert dagelijks op complicaties op de operatieplaats en gedragsveranderingen
- Psychosociaal ondersteuningssysteem
Uitsluitingscriteria:
- Aanwezigheid van geheugenproblemen
- Intellectuele beperking
- Psychotische ziekte of chronische psychiatrische stoornis, inclusief ernstige depressie indien onbehandeld
- Slechte gezichtsscherpte
- Zwangerschap
- Actieve infectie of onverklaarbare koorts
- Hoofdhuidlaesies of huidafbraak
- HIV- of AIDS-infectie
- Actieve kanker of chemotherapie
- suikerziekte
- Autonome dysreflexie
- Geschiedenis van inbeslagname
- Geïmplanteerde hydrocephalus-shunt
- Eerdere neurochirurgische geschiedenis die de functie van de pariëtale kwab beïnvloedt
- Medische aandoeningen die een contra-indicatie vormen voor chirurgie en chronische implantatie van een medisch hulpmiddel
- Eerdere cranioplastiek
- Geen MRI kunnen ondergaan of verwachte noodzaak voor MRI tijdens het onderzoek
- Een baby verzorgen of niet bereid zijn om een baby flesvoeding te geven
- Chronisch oraal of intraveneus gebruik van steroïden of immunosuppressieve therapie
- Suïcidale gedachten
- Drugs- of alcoholverslaving
- Plannen om zwanger te worden, of niet bereid zijn om adequate anticonceptie te gebruiken
- Geïmplanteerde hartdefibrillator, pacemaker, vagale zenuwstimulator of ruggenmergstimulator.
- Geïmplanteerde diepe hersenstimulator (DBS), DBS-leads of cochleair implantaat.
Studie plan
Hoe is de studie opgezet?
Ontwerpdetails
- Primair doel: Fundamentele wetenschap
- Toewijzing: NVT
- Interventioneel model: Opdracht voor een enkele groep
- Masker: Geen (open label)
Wapens en interventies
Deelnemersgroep / Arm |
Interventie / Behandeling |
|---|---|
|
Experimenteel: Neuraal prothetisch systeem 2
Het Neural Prosthetic System 2 bestaat uit drie Neuroport Arrays, die in detail worden beschreven in de interventiebeschrijving.
Twee van de drie Neuroport-arrays worden ingebracht in de posterieure pariëtale cortex, een gebied van de hersenen dat wordt gebruikt bij het plannen van reiken en grijpen.
De derde Neuroport-array wordt ingebracht in de somatosensorische cortex, met name S1, die sensorische feedback voor de hand en vingers vertegenwoordigt.
De arrays worden ingebracht en het percutane voetstuk wordt tijdens een chirurgische ingreep aan de schedel bevestigd.
Na chirurgisch herstel zal de proefpersoon 3-5 keer per week deelnemen aan studiesessies waarin ze leren een eindeffector te besturen door middel van denken, aangevuld met sensorische feedback via intracorticale microstimulatie.
Vervolgens gebruiken ze de eindeffector om verschillende reik- en grijptaken uit te voeren.
|
De NPS2 bestaat uit 3 NeuroPort Arrays (SIROF).
De punt van de elektroden is een gesputterde iridiumoxidefilm (SIROF).
Elke array bestaat uit 100 micro-elektroden van 1,5 mm, georganiseerd op een siliciumbasis van 4 mm x 4 mm met een dikte van 0,25 mm.
Elke micro-elektrode is geïsoleerd met Parylene-C-polymeer en is elektrisch geïsoleerd van naburige elektroden door niet-geleidend glas.
Van de 100 elektroden zijn er 96 draadgebonden met behulp van geïsoleerde draden van een goudlegering van 25 m, afgedicht met een siliconenelastomeer.
De draadbundel wordt met epoxy op een printplaat gepot, de printplaat wordt in de patiëntenvoet (percutane connector) gestoken en vervolgens wordt de patiëntenvoet gevuld met siliconenelastomeer.
Er zijn ook twee fijne platina-referentiedraden aan het patiëntenvoetstuk bevestigd.
Het patiëntenvoetstuk is 19 mm breed bij de huidinterface.
Andere namen:
|
Wat meet het onderzoek?
Primaire uitkomstmaten
Uitkomstmaat |
Maatregel Beschrijving |
Tijdsspanne |
|---|---|---|
|
Patiëntcontrole over de eindeffector (virtueel of fysiek)
Tijdsspanne: Negen jaar na array -implantatie
|
De primaire effectiviteitsdoelstelling van deze studie is het evalueren van de effectiviteit van de NPS2 bij het beheersen van virtuele of fysieke eindeffectoren. Signalen van posterieure pariëtale cortex zullen het onderwerp in staat stellen de eindeffector te beheersen met nauwkeurigheid aanzienlijk groter dan toeval; Het onderwerp zal ICM's boven het kansniveau kunnen waarnemen en discrimineren; En het opnemen van stimulatie zal de controle van het onderwerp over de eindeffector verbeteren. We zullen de effectiviteit van de NPS2 voornamelijk evalueren door de nauwkeurigheid van de controle van de proefpersonen over de eindeffector met en zonder ICM's te berekenen en deze verschillende nauwkeurigheid te vergelijken met het kansniveau, en met elkaar. Elk onderwerp zal dienen als zijn of haar eigen controle. |
Negen jaar na array -implantatie
|
|
Afwezigheid van infectie of irritatie
Tijdsspanne: Negen jaar na array -implantatie
|
Het primaire doel van deze studie is om de veiligheid van de NPS2 te evalueren.
Implantatie zal niet worden geassocieerd met infectie of irritatie, en dat de ernstige bijwerkingen niet boven 1%zullen stijgen.
We zullen de veiligheid van de NPS2 evalueren door de hoofdhuid van de proefpersonen te inspecteren op bewijs van rood worden of ontlading, door regelmatig geplande neurologische geschiedenis en lichamelijk onderzoek uit te voeren en door feedback van de proefpersonen te verkrijgen.
De toestand van het gebied zal worden vergeleken met de toestand ervan bij eerdere bezoeken, de geschiedenis zal worden verkregen met betrekking tot nieuwe symptomen en neurologisch en lichamelijk onderzoek zal worden vergeleken met baseline -examens.
|
Negen jaar na array -implantatie
|
Medewerkers en onderzoekers
Sponsor
Medewerkers
Onderzoekers
- Hoofdonderzoeker: Richard A Andersen, PhD, California Institute of Technology
- Hoofdonderzoeker: Charles Liu, MD, PhD, University of Southern California, Rancho Los Amigos Rehabilitation Center
- Hoofdonderzoeker: Dan Kramer, MD, University of Colorado, Denver
- Hoofdonderzoeker: Luke Bashford, PhD, University of Colorado, Denver
Publicaties en nuttige links
Studie record data
Bestudeer belangrijke data
Studie start (Werkelijk)
Primaire voltooiing (Geschat)
Studie voltooiing (Geschat)
Studieregistratiedata
Eerst ingediend
Eerst ingediend dat voldeed aan de QC-criteria
Eerst geplaatst (Geschat)
Updates van studierecords
Laatste update geplaatst (Werkelijk)
Laatste update ingediend die voldeed aan QC-criteria
Laatst geverifieerd
Meer informatie
Termen gerelateerd aan deze studie
Trefwoorden
Aanvullende relevante MeSH-voorwaarden
Andere studie-ID-nummers
- HS-13-00492
Informatie over medicijnen en apparaten, studiedocumenten
Bestudeert een door de Amerikaanse FDA gereguleerd geneesmiddel
Bestudeert een door de Amerikaanse FDA gereguleerd apparaatproduct
Deze informatie is zonder wijzigingen rechtstreeks van de website clinicaltrials.gov gehaald. Als u verzoeken heeft om uw onderzoeksgegevens te wijzigen, te verwijderen of bij te werken, neem dan contact op met register@clinicaltrials.gov. Zodra er een wijziging wordt doorgevoerd op clinicaltrials.gov, wordt deze ook automatisch bijgewerkt op onze website .