Neuro wetenschappers van het Deutsche Primatenzentrum in Göttingen (D) kunnen grijpbewegingen van de hand zoals veters strikken, in de koffie roeren, brieven schrijven, pianospelen, voorspellen door de activiteit van verschillende hersencellen.
Onze handen worden voor deze dagelijkse en soms veeleisende activiteiten vaker gebruikt dan welk ander lichaamsdeel dan ook. Door de uitgekiende fijne motoriek zijn we in staat om grijpbewegingen met verschillende nauwkeurigheid en krachtverdeling te gebruiken. Deze mogelijkheid is een kenmerkend gegeven voor de hand van primaten.
Motoriek onderzocht
Tot nu toe was nog erg onduidelijk, hoe handbewegingen in de hersenen worden gepland. Stefan Schaffelhofer, Andres Agudelo-Toro en Hansjörg Scherberger van het Deutsche Primatenzentrum (DPZ) konden met hun nieuwste onderzoek bij resusapen aantonen, hoe diverse grijpbewegingen in de hersenen worden aangestuurd. De wetenschappers konden een veelvoud van handposities voorspellen met behulp van elektrofysiologische metingen in de hersengebieden, die verantwoordelijk zijn voor de planning en omzetting van de handbewegingen, door de specifieke analyse van deze neurale signalen.
Bij de eerste gebruikte proeven konden ze de zo gevonden grepentypes overbrengen op een robothand. De resultaten van de studie zouden in de toekomst kunnen worden gebruikt bij de ontwikkeling van neuro prothesen, zodat voor verlamde patiënten handfuncties weer beschikbaar komen. (The Journal of Neuroscience, 2015).
“Wij wilden vaststellen, hoe de verschillende handbewegingen door de hersenen worden bestuurd en of we de activiteit van hersencellen zouden kunnen benutten, om de verschillende greeptypen te kunnen voorspellen” zegt Stefan Schaffelhofer, neuro wetenschapper op de afdeling neurobiologie van de DPZ.
Multi-elektroden arrays
Voor het detailonderzoek naar de regulering van de verschillende bewegingen in deze hersengebieden werd de activiteit van de hersencellen met zogenaamde multi-elektroden arrays opgenomen. De onderzoekers hebben de resusapen getraind om 50 objecten met verschillende vorm en grootte herhaaldelijk te grijpen. Tegelijkertijd werden alle vinger- en handbewegingen van de apen opgenomen met een elektromagnetische datahandschoen om de gebruikte greep te identificeren en te kunnen vergelijken met de neurale signalen.
Op basis van de activiteit van de zenuwcellen, die tijdens de planning en uitvoering van de grijpbeweging werd gemeten, konden de wetenschappers conclusies trekken over de toegepaste grijptypes. De voorspelde grepen werden met de daadwerkelijke, in de test opgetekende handconfiguraties, vergeleken.
“De activiteit van de gemeten hersencellen is sterk afhankelijk van de toegepaste greep. Aan de hand van deze neurale verschillen konden wij berekenen, welke handbeweging het dier uitvoert”, zegt Stefan Schaffelhofer. “In de planningsfase hadden we hiermee tot 86% goed ingeschat, in de grijpfase konden we de beweging tot 92% juist voorspellen”.
Hulp bij dwarslaesie
De op deze manier gedecodeerde hand kon daarna met succes worden overgebracht op een robot hand. De wetenschappers hebben daarmee aangetoond, dat een groot aantal verschillende handposities kan worden opgenomen met behulp van neurale planning- en uitvoeringsignalen en verder kan worden gebruikt. Een gegeven, dat in de toekomst vooral voor patiënten met een dwarslaesie, waarbij de verbinding tussen hersenen en ledematen niet meer functioneert, van groot belang is.
“De resultaten van onze studie zijn zeer belangrijk voor de ontwikkeling van neuraal aangestuurde handprothesen. Ze geven aan, waar en vooral hoe de hersenen de grijpbeweging sturen”, aldus de samenvatting van Stefan Schaffelhofer.
