- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -

Создан человеческий мозговой имплантат для получения тактильных ощущений от механической руки

Создан человеческий мозговой имплантат для получения тактильных ощущений от механической руки - 1

Осязание — обратная связь, которую мы получаем при использовании руки. Благодаря осязанию можно манипулировать предметами не глядя: захватывать их, гладить, бить и т.д. Обратная связь необходима для аккуратного обращения с хрупкими предметами типа яиц. Осязание даёт критически важную информацию для мгновенного рефлекторного реагирования — чтобы человек сохранил в целости свои механизмы и органы.

В конце концов, благодаря осязанию мозг [1] получает информацию о некоторых свойствах объектов — такие свойства нельзя узнать иначе. Например, мягкость/твёрдость, упругость, липкость и т.д. С помощью этих данных в мозге [1] происходит вычисление других свойств объекта, что позволяет надёжно предсказать будущее, то есть предсказать результат взаимодействия с объектом.

Важность осязания бесспорна. В этой связи очень удручает, что конструкторы биопротезов до сих пор не нашли надёжного способа передавать в мозг [1] человека информацию с сенсоров механических рук.

До сих пор ни один коммерчески доступный протез рук и ног не комплектуется сенсорами осязания, потому что эту информацию всё равно невозможно передать человеку в реальном времени, то бишь естественным путём: через нервные окончания в мозг [1].

Помните, как Люк Скайуокер почувствовал боль, когда игла уколола его в только что установленную бионическую руку? Конечно, хотелось бы сделать такую технологию доступной не только для ситхов, но и для обычных людей.

Инженеры давно пытаются решить проблему. Очевидно, что требуется взаимодействие с центральной нервной системой человека, протокол которой пока не расшифрован до конца. Приходится искать обходные пути, чтобы совместить живые нейронные структуры и механические конструкции. Сейчас этим занимается прикладная наука нейроинженерия [2]. Группа нейроинженеров из Питтсбургского университета (США) нашла возможное решение [3] для передачи тактильных импульсов от механической руки.

Инженеры попытались заменить естественное осязание искусственными импульсами в надежде, что мозг [1] сам настроится на новый сигнал. В коре головного мозга [1] монтируются электроды, которые стимулируют отдельные участки в соответствии с показаниями сенсоров на механической руке. У человека возникает чувство, что он как будто что-то трогает.

Этот феномен описан в нескольких научных работах. Похоже, впервые он был замечен в 1997 году и описан в научной работе [4] в журнале Nature. Тогда учёные обратили внимание, что стимуляция отдельных участков коры головного мозга [1] заставляет животных реагировать так, словно их руки двигаются. Но что конкретно чувствуют животные при стимуляции мозга [1] — осталось неизвестным. В последующие годы такие опыты проводились на людях [5]: испытуемые подтвердили, что ощущают некие чувства в конечностях.

В Питтсбургском университете провели длительный шестимесячный эксперимент на 28-летнем пациенте Нейтане Коуплэнде (Nathan Copeland) с давним повреждением спинного мозга [1]. Парень в 2004 году попал в ДТП и сломал шею.

В мозг [1] Нейтана внедрили два нейроимплантата с решёткой из 60 электродов размером 2,4×4 мм. Провод из мозга [1] выходит наружу головы и подключается к внешнему металлическому модулю, который служит для связи.

Создан человеческий мозговой имплантат для получения тактильных ощущений от механической руки - 2

Самым сложным было найти подходящее место на коре головного мозга [1] для внедрения имплантатов. Учёные долго изучали составляли функциональную карту мозга [1], пытаясь точно определить участок коры, в котором происходит обработка тактильных сигналов. Для этого пациента, который 10 лет ничего не трогал руками, заставляли активно думать о том, как он трогает и щупает разными пальцами. В это же время снимались показания магнитно-резонансной томографии.

Создан человеческий мозговой имплантат для получения тактильных ощущений от механической руки - 3

В конце концов, учёным удалось-таки составить примерную карту участков соматосенсорной области коры, связанных с обработкой информацией с каждого из трёх пальцев руки (большой, указательный, мизинец) и с ладони.

Создан человеческий мозговой имплантат для получения тактильных ощущений от механической руки - 4

Импланты вставили аккуратно рядом с соответствующими нейронами, а пациента подключили к системе микростимуляции, подавая слабые импульсы на электроды и отслеживая реакцию. Тот сообщил, что чувствует различные сочетания вибраций, прикосновений, давления и покалываний как будто в суставах и под кожей руки. Что интересно, карта ощущений практически не изменилась за шесть месяцев.

Для главного научного эксперимента модуль связи имплантата подключили к механическому протезу — и записывали ощущения, которые возникают у пациента при различных действиях механической руки. Выяснилось, что нажатие на пальцы он правильно распознаёт в 84% случаев, а по мере тренировки — в 100% случаев.

Создан человеческий мозговой имплантат для получения тактильных ощущений от механической руки - 5
Учёный нажимает на палец руки, когда у пациента завязаны глаза

Тактильный интерфейс для искусственной конечности пытались создать и раньше. Например, в рамках программы DARPA HAPTIX [6] идёт разработка нейроинтерфейса для передачи тактильных сигналов от протеза в нервную систему. На рентгеновском снимке внизу видны электроды, хирургически имплантированные в предплечье и подключенные проводами к внешнему компьютеру. В идеале, сенсорные сигналы от протеза поступают через тактильный интерфейс в периферийную нервную систему, оттуда — в спинной мозг [1].

Создан человеческий мозговой имплантат для получения тактильных ощущений от механической руки - 6
Электроды, хирургически имплантированные в предплечье и подключенные проводами к внешнему компьютеру

Учёным проекта HAPTIX удалось добиться неплохого результата в создании тактильного интерфейса. Но он никак не может помочь людям, страдающим от повреждений спинного мозга [1]. А вот разработка нейронженеров из Питтсбургского университета — может помочь.

Ценность нового метода в том, что информация в мозг [1] передаётся напрямую от руки, в обход спинного мозга [1], хоть по беспроводному каналу. Это даёт надежду огромному количеству людей, которые живут с повреждениями спинного мозга [1]. Только в США таких от 243 000 до 347 000 человек, по оценке [7] Национального статистического центра по травмам спинного мозга [1]. Если аппроксимировать, то во всём мире их должно быть несколько миллионов. В зависимости от степени повреждения нервных путей, эффекты различаются по силе: от частичной потери ощущений в пальцах до полной потери способности контролировать целую конечность.

Именно людям с повреждениями спинного мозга [1] лучше всего подходит имплантация приёмника сигналов в мозг [1]. Жаль только, что у каждого человека карта мозга [1] имеет свои особенности, так что перед имплантацией придётся осуществлять индивидуальное картирование соматосенсорной области коры, то есть несколько сеансов МРТ.

Мозговой тактильный имплантат ещё нуждается в доработке. Он и близко не сравнится с живой рукой, а вместо некоторых тактильных ощущений пациент чувствует покалывание. Учёным так и не удалось симулировать осязание с отдельных частей руки, например, с кончиков пальцев. Возможно, необходимо более точное позиционирование электродов в соматосенсорной коре головного мозга [1]. Может быть, количество электродов следует увеличить.

Научная статья с описанием инновационного имплантата будет опубликована [8] 19 октября 2016 года в журнале Science Translational Medicine (doi: 10.1126/scitranslmed.aaf8083).

Автор: alizar

Источник [9]


Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru

Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/biotehnologii/199106

Ссылки в тексте:

[1] мозг: http://www.braintools.ru

[2] нейроинженерия: https://ru.wikipedia.org/wiki/Нейроинженерия

[3] возможное решение: http://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/devices/brainimplant-allows-man-to-feel-touch-on-robotic-hand

[4] научной работе: http://www.nature.com/nature/journal/v392/n6674/full/392387a0.html

[5] проводились на людях: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3718452/

[6] DARPA HAPTIX: http://spectrum.ieee.org/biomedical/bionics/creating-a-prosthetic-hand-that-can-feel

[7] оценке: https://www.nscisc.uab.edu/Public/Facts%202016.pdf

[8] опубликована: http://stm.sciencemag.org/content/early/2016/10/12/scitranslmed.aaf8083

[9] Источник: https://geektimes.ru/post/281500/