Tema

Träna bort fantomsmärtorna med AI-algoritmer

Fantomsmärtor kan behandlas effektivt tack vare forskning om maskininlärning och förstärkt verklighet. Chalmersforskaren Max Ortiz Catalan har utvecklat en ny teori om det gåtfulla tillståndet.
– När man väcker liv i det slumrande nervsystemet med motorisk fantomstyrning hjälper det till att försvaga och bryta kopplingen som orsakar smärta, säger han.

Fantomsmärta är ett svårbegripligt fenomen, som uppträder hos personer som har förlorat en kroppsdel. Vissa kan känna stark smärta som upplevs komma från den del av kroppen som saknas. För de drabbade kan detta innebära en allvarlig påfrestning och ge drastiskt försämrad livskvalitet. De nuvarande teorierna om ursprunget till fantomsmärtor kan emellertid varken förklara resultaten från kliniska undersökningar eller ge någon heltäckande teoretisk ram för att studera och behandla smärtorna.

Nu har Max Ortiz Catalan, docent vid Chalmers, publicerat en artikel där en ny lovande teori lyfts fram, som han kallar ”stochastic entanglement” – på svenska ungefär ”slumpmässig sammankoppling”. Hypotesen, som publicerats i tidskriften Frontiers in Neurology, bygger vidare på hans tidigare forskning om maskininlärning och förstärkt verklighet (augmented reality) som banbrytande behandlingsmetod.

Efter en amputation förlorar nervsystemet till den saknade kroppsdelen sin roll och blir mottagligt för att kopplas samman med andra nervbanor – i det här fallet med nerver som styr smärtupplevelsen, menar han.

Nervsystemet blir sysslolöst
– Föreställ dig att du förlorar handen. Det skulle innebära att en betydande del av din hjärna och ditt nervsystem blir arbetslösa. De slutar bearbeta känselsignaler, de slutar producera motoriska signaler för att röra handen. De går i viloläge – men inte passivt, förklarar Max Ortiz Catalan.

Nervceller är aldrig helt passiva. När de inte har ett specifikt uppdrag kan de avfyra nervsignaler slumpmässigt. Det kan leda till att impulser skickas ut planlöst i den delen av det sensomotoriska nervsystemet, samtidigt som liknande sker i nervsystemet som hanterar smärtupplevelse. När sådana nervceller fyras av tillsammans ger det upphov till smärta i den berörda delen av kroppen.

Smärta i en kroppsdel som inte finns kvar
– Normalt skulle en sådan sporadisk avfyrning som sker synkroniserat inte ha någon betydelse, eftersom den bara blir en del av bakgrundsbruset i nervsystemet, och då inte kommer att märkas, fortsätter Max Ortiz Catalan. Men hos patienter som saknar en kroppsdel kan en sådan händelse få betydelse om det inte pågår så mycket annat samtidigt. Det kan resultera i en överraskande, känslomässigt laddad upplevelse – att känna smärta i en del av kroppen som inte längre finns kvar. En sådan anmärkningsvärd känsla kan förstärka ett neuralt samband, få det att sticka ut från mängden och därmed bidra till att en oönskad nervkoppling skapas.

Något som kallas Hebbs princip är viktig i sammanhanget. Den säger att ”celler som avfyras tillsammans, sammankopplas”. Tillämpat på Max Ortiz Catalans forskning betyder det att nervceller i det sensomotoriska systemet och systemet för smärtupplevelse kopplas samman med varandra, vilket resulterar i fantomsmärtor. Denna teori förklarar också varför alla amputerade inte lider av sådana smärtor; slumpmässigheten innebär att avfyrning kanske inte sker samtidigt, och därför sker heller ingen sådan koppling hos alla patienter.

Motorisk fantomstyrning som behandling
I artikeln som nu publicerats fortsätter Max Ortiz Catalan att undersöka hur teorin kan förklara effekterna av motorisk fantomstyrning (Phantom Motor Execution, PME), den nya behandlingsmetod som han tidigare utvecklat. Vid PME-behandlingen registrerar elektroder, som är fästa vid patientens amputerade stump, elektriska signaler egentligen avsedda för den saknade kroppsdelen, som sedan översätts via AI-algoritmer till rörelser som utförs av en virtuell kroppsdel i realtid. Patienten ser sig själv på en datorskärm, med en digital kroppsdel i stället för den som saknas, och kan då styra den som om kroppsdelen utgjorde en del av den egna kroppen. Detta gör det möjligt för patienten att stimulera och återaktivera de vilande områdena i hjärnan.

– Patienterna kan då åter börja använda de områden av hjärnan som gått i viloläge. När man väcker liv i det slumrande nervsystemet hjälper det till att försvaga och bryta kopplingen som orsakar smärta. Det fungerar som en sorts omvänd Hebbs princip – ju mer nervcellerna avfyras åtskilt, desto svagare blir deras förbindelse med varandra. Detta kan också användas förebyggande för att förhindra att sådana förbindelser alls uppkommer, säger han.

Motorisk fantomstyrning testas kliniskt
Max Ortiz Catalan har utvecklat motorisk fantomstyrning (PME) som en behandlingsform för fantomsmärtor, där fantomrörelser från den kvarvarande stumpen avkodas med maskininlärning och därefter visualiseras via virtuell och förstärkt verklighet (virtual and augmented reality). Den nya hypotesen ger nu en förklaring till de framgångar som behandlingen uppvisat i kliniska studier.

PME har visat sig minska fantomsmärtor hos kroniskt drabbade, där andra behandlingar har misslyckats. PME-tester pågår på kliniker runt om i världen, från Kanada till Australien, men de flesta behandlade patienterna finns i Europa. En behandlingsutrustning har tagits fram och säljs via det svenska medicinteknikföretaget Integrum AB, och för närvarande sker omfattande internationell klinisk prövning i sju länder. Hjärnbildsstudier pågår också på patienter som behandlats med PME, vilket kommer att bekräfta eller tillbakavisa Max Ortiz Catalans teorier.

PME-behandlingen har tidigare visat sig hjälpa patienter där andra metoder misslyckats. Att förstå exakt hur och varför behandlingen kan vara till nytta är avgörande för att den ska kunna utföras korrekt och på bästa möjliga sätt. Den nya teori som Max Ortiz Catalan nu för fram kan bidra till att lösa några av gåtorna kring fantomsmärtor, och dessutom ge en del av dem som drabbas hårdast en bättre tillvaro.

Video som visar behandling med motorisk fantomstyrning:

Artikel:
The stochastic entanglement and phantom motor execution hypotheses: a theoretical framework for the origin and treatment of PLP (Frontiers of Neurology)

Kontakt:
Max Ortiz Catalan, docent, institutionen för elektroteknik, Chalmers, maxo@chalmers.se, 070-846 10 65

Läs också

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Träna bort fantomsmärtorna med AI-algoritmer

 lästid ~ 4 min