Having proved in 2004 that plugging a sensor into the human brain’s motor cortex could turn the thoughts of paralysis victims into action, a team of Brown University scientists now has the green light from the U.S. Food and Drug Administration (FDA) and the Massachusetts General Hospital (MGH) institutional review board to expand its efforts developing technology that reconnects the brain to lifeless limbs.

Brown’s BrainGate Neural Interface System—conceived in 2000 with the help of a $4.25-million U.S. Defense Department grant—includes a baby aspirin–size brain sensor containing 100 electrodes, each thinner than a human hair, that connects to the surface of the motor cortex (the part of the brain that enables voluntary movement), registers electrical signals from nearby neurons, and transmits them through gold wires to a set of computers, processors and monitors. (ScientificAmerican.com in 2006 wrote about one patient’s experience using BrainGate during its first phase of trials.)

The researchers designed BrainGate to assist those suffering from spinal cord injuries, muscular dystrophy, brain stem stroke, amyotrophic lateral sclerosis (ALS, or Lou Gehrig’s Disease), and other motor neuron diseases. During the initial testing five years ago, patients suffering from paralysis demonstrated their ability to use brain signals sent from their motor cortex to control external devices such as computer screen cursors and robotic arms just by thinking about them. “The signals may have been disconnected from the (participant’s) limb, but they were still there,” says Leigh Hochberg, a Brown associate professor of engineering and a vascular and critical care neurologist at MGH who is helping lead the research.

Due to the high risk of plugging a device directly into the brain, the FDA in 2004 granted the BrainGate system an investigational device exemption so that researchers could begin testing the unit in patients and collect data about its safety and effectiveness. Thanks to the success of those early tests, the researchers last week kicked off a pilot clinical trial, dubbed BrainGate2. Although the technology is similar to what was used in the original testing, the researchers are looking to enlist up to 15 patients this time and gather more information that will help them better understand brain signals as well as “the method by which we decode them,” Hochberg says. Since the initial four-person clinical trial launched five years ago, “we have a better appreciation for things that we need to learn.”

A successful BrainGate2 trial could open up a number of new possibilities, including the use of a second sensor to stimulate both sides of the motor cortex, says John Donoghue, a Brown neuroscience professor and director of the Brown Institute for Brain Science. Researchers thus far have implanted the sensor in the side of the brain that controls a patient’s dominant side—the left cortex for righties and the right cortex for lefties.

BrainGate2 is part of a larger mission to help paralysis victims regain control of their bodies. “We want to reconnect the brain back to the muscles and eventually back to the entire limb,” Donoghue says. “We are attempting to recreate parts of the nervous system that have been disconnected from the brain.”

Hochberg expects this second phase to last for several years, “depending on what we learn and how quickly we learn it.” The research project has received about $8 million in funding over the past three years from a number of organizations, including the National Institutes of Health (NIH) and the U.S. Department of Veterans Affairs.

Avendo provato nel 2004 che inserire un sensore nella corteccia motoria umana potrebbe trasformare i pensieri delle persone paralizzate in azioni, il team di scienziati della Brown University ha ottenuto via libera dalla U.S. Food and Grug Administration (FTA) e dal Massachussetts General Hospital (MGH) per sviluppare questa tecnologia.

Il sistema di interfaccia neurale della Brown University, BrainGate, è stato ideato nel 2000, per 4.25 milioni di dollari dal Dipartimento della Difesa Americano, e comprende un sensore contenente 100 elettrodi, ciascuno più fino di un capello umano, che connette la superficie della corteccia motoria (la parte del cervello che permette i movimenti volontari) e registra i segnali elettrici dai neuroni vicini e li trasmette attraverso cavi d’oro ad una stazione di computer, processori e monitor.

I ricercatori hanno progettato BrainGate per assistere le persone che soffrono di lesioni alla spina dorsale, distrofia muscolare, sclerosi laterale amiotrofica e altre patologie dei neuroni motori. Durante i test iniziali, 5 anni fa, pazienti affetti da paralisi hanno dimostrato la capacità di pilotare il cursore sullo schermo di un computer o un braccio robotico, attraverso segnali originati nella corteccia motoria e spediti a dispositivi di controllo esterni. I segnali elettrici motori possono essere disconnessi dai muscoli ma sono sempre presenti nella corteccia, dice Leigh Hochberg, professore associato della Brawn in ingegneria e neurlogo alla MGH, che sta guidando la ricerca.

Dati gli alti rischi nel collegare un dispositivo direttamente nella testa, la FDA ha garantito al BrainGate, nel 2004, una esenzione come dispositivo di ricerca affinché i ricercatori potessero iniziare a testare il dispositivo su pazienti e raccogliere informazioni circa la sicurezza e l’efficacia. Grazie al successo di questi test preliminari, i ricercatori nella scorsa settimana hanno avviato il BrainGate2, progetto pilota di ricerche cliniche. Anche se la tecnologia è simile a quella usata nei test originali, i ricercatori stanno provando a formare una lista di 15 pazienti questa volta per ottenere più informazioni al fine di capire meglio i segnali cerebrali così come i metodi per decodificarli, dice Hochberg. Dalle prove sulle prime quattro persone, avviate cinque anni fa, abbiamo una migliore comprensione di cose che avevamo bisogno di imparare.

Il successo delle prove del BrainGate2 potrebbe aprire nuove possibilità, come l’uso di un secondo sensore per stimolare entrambi i lati della corteccia motoria, dice John Donoghue, professore di neuroscienze della Brawn e direttore dell’istituto per le scienze neurologiche. I ricercatori dovranno impiantare il sensore nella parte del cervello che controlla il lato domininante dei pazienti – la corteccia sinistra per i destri e la destra per i mancini -.

BrainGate2 è parte di un più ampio progetto per aiutare le vittime di paralisi a riacquisire il controllo del proprio corpo. Vogliamo riconnettere il cervello ai muscoli e alla fine all’intero arto, dice Donoghue. Siamo cercando anche di rigenerare parti del sistema nervoso che sono state disconnesse.

Hochberg stima di diversi anni la durata di questa seconda fase: dipende da cosa impariamo e quanto velocemente riusciamo a farlo. Il progetto di ricerca ha ricevuto circa 8 milioni di dollari negli ultimi tre anni da diverse organizzazioni, incluso il National Institutes of Health (NIH) e dallo U.S. Department of Veterans Affairs.