Протезы, которые управляются силой мысли, – это уже реальность

24 февраля 2015 года в журнале «Ланцет» была опубликована статья, описывающая инновационную операцию, получившую название «бионической реконструкции». Провел ее доктор Оскар Азманн в Медицинском университете Вены (Австрия). Реконструкция не стала уникальной: ее удалось повторить трижды, заменяя ампутированную кисть руки протезом, контролировать который пациент может силой мысли.

Фото с сайта engadget.com

Происходящее, однако, не имеет никакого отношения к телепортации: все сугубо материально и основано на простых физических расчетах.

Все 3 пациента перенесли серьезные травмы, приведшие к повреждению плечевого сплетения – пучка нервов, бегущих от позвоночника к кисти. Несмотря на все усилия врачей рука оставалась парализованной. Часть нервных волокон передавала сигнал, но нервный импульс был недостаточен для того, чтобы пациент смог двигать кистью. А если бы у кисти был дополнительный источник энергии, своеобразная батарейка, которую можно было заряжать от сети? Этого нельзя достичь с реальной кистью из плоти и крови, но можно попытаться заменить ее протезом, снимаемым на ночь для подзарядки.

Идея проста, но осуществление нужно было тщательно продумать и филигранно выполнить.

Прежде всего, чтобы усилить руку, пациентам пересадили туда ножные мышцы. В течение трех месяцев доктор Азманн ждал, чтобы нервные волокна проросли в новую мышечную ткань, а затем некоторое время работал над их активацией с помощью браслета с искусственными электрическими датчиками. Затем пациенты научились управлять «виртуальной» рукой, и, наконец, Азманн ампутировал кисти пациентов и заменил их протезами, контролируемыми мышцами руки и датчиками.

У всех трех пациентов их протезы работают гораздо лучше, чем кисти после травмы. Все трое могут держать предметы, наливать воду в стакан из кувшина и даже застегивать пуговицы. Постепенно моторика совершенствуется, и количество функций кисти увеличивается. Если сначала в стандартном тесте на функционирование кисти пациенты Азманна набирали только 9 баллов из 100, то сейчас их оценка – 65.

Самая большая проблема заключается в том, чтобы вернуть кисти осязание: именно оно дает человеку ощущение контакта с реальностью, оно же является ключевым в осуществлении мелких моторных функций кисти. Над этой проблемой работает группа Дастина Тайлера в Медицинском центре ветеранов имени Льюиса Стоукса, (Кливленд, США).

Двум пациентам, потерявшим кисти на производстве, экспериментаторы вживили в своеобразный манжет электродов вокруг трех нервных каналов, проводящих осязательный сигнал от кисти к мозгу. Электроды, стимулирующие различные участки нервного волокна, были присоединены проводами к устройству, передающему импульсы различной частоты, и непосредственно к протезу кисти.

Команда подключала все пальцы по очереди, и испытуемый сообщил о покалывании в большом пальце, потом в указательном и так далее. Наконец, он снова ощутил утраченную кисть.

Фото с сайта newscientist.com

Когда мы дотрагиваемся руками до различных поверхностей, это вызывает различные паттерны активности нервных каналов. Исследователи смоделировали реальность с помощью изменений частоты и интенсивности электрических импульсов. Пришлось немало потрудиться, пока ощущения стали реальными. Экспериментальным путем группа Тайлера установила, какие паттерны воссоздают ощущение легкого прикосновения к кончику шариковой ручки, поглаживанию пальца другим пальцем или ватным тампоном.

Итак, схема действия осязания такая:
1. датчики на протезе получают информацию об объекте, к которому прикасается испытуемый, и посылают ее на внешнее устройство;
2. внешнее устройство передает соответствующий паттерн импульсов манжету электродов;
3. электроды посылают по нервным каналам соответствующий сигнал в мозг;
4. мозг интерпретирует сигнал как прикосновение к поверхности конкретной структуры.

Фото с сайта technews21.com

Пока что исследователи на полпути к цели: система должна стать беспроводной. Сейчас, выходя из лаборатории, пациенты оставляют в ней осязание, обеспеченное компьютерной медиацией между датчиками и мозгом. Они, однако, могут теперь не только рубить дрова: существенно улучшилось ощущение размера объекта и регуляция давления на него, так что при помощи протеза пациенты могут держать в руке вишенку и оторвать стебелек, не раздавив ее. Кстати, сеансы осязания имели для пациентов совершенно неожиданный и весьма приятный побочный эффект: прекратились фантомные боли, которые часто преследуют людей, потерявших конечность.

Руководитель группы Дастин Тайлер считает, что потребуется еще несколько лет для разработки беспроводного бионического протеза с регулирующим устройством, которое можно будет носить в кармане.

Еще более амбициозным проектом занимаются исследователи Питтсбургского университета (Пенсильвания, США) под руководством Дженнифер Коллинджер: они смогли «обучить» руку-робот брать объект по команде мозга пациентки, практически полностью парализованной (от шеи и ниже) в результате тяжелой травмы позвоночника. Электроды, вживленные в мозг женщины, посылали сигнал на компьютерное устройство, исследователи выделили паттерны, соответствующие желанию взять предмет, а затем транслировали их в команды для руки-робота. В результате удалось добиться того, что по желанию пациентки кисть принимает форму ковша, щепотки, поднимает большой палец, а вся рука-робот имеет 10 степеней свободы движения. С помощью нее пациентка может, например, взять небольшую бутылочку, поднести ее к губам и через соломинку тянуть напиток.

Пока что, однако, используется лишь порядка 10-20% возможностей робота в силу несовершенства системы доставки информационных сигналов к мозгу от руки и обратно. Чтобы использовать все его возможности, необходимо скооперироваться с группой Тайлера и найти способ передачи в мозг пациента осязательных ощущений руки-робота. Для этого придется разрешить непростую проблему: как производить обработку информации о желании совершить движение, о котором сигнализирует одна зона коры, и одновременно стимулировать другую зону мозга для воспроизведения осязательного ощущения. Но и в этом направлении уже сделаны серьезные шаги.

Группа исследователей Отделения биологии и биоинженерии Калифорнийского технологического института (Пасадена, США) создала устройство, фильтрующее сигналы электродов и позволяющее одновременно двигать внешним роботическим протезом и получать от него осязательный сигнал. Пока что его имплантировали приматам, которые в результате оказались способны к распознаванию спрятанных объектов «наощупь». Следующий этап – осуществить то же самое для человека.

Фото с сайта dailymail.co.uk

Большая часть исследований об «оживлении» бионических протезов конечностей посвящена рукам, и это неслучайно. Руки играют ключевую роль в жизнедеятельности человека, в то время как функции ног гораздо более успешно заменяются в наше время разнообразной машинерией. Но и нижние конечности не стоят в стороне. Идет активная работа над интернациональным проектом «Киберноги» (Cyberlegs) с центром в Италии.

Фото с сайта engadget.com

Система «Киберноги» состоит из «смартшузов», то есть умных туфлей, снабженных датчиками давления и приборами измерения инерции, собственно, конечности, а также алгоритма декодирования намерений пациента, способного уловить, хочет ли субъект пойти, встать, сесть, подняться вверх или спуститься по ступеням, и в соответствии с этим адаптировать положение ножного протеза. Если пациенту требуется дополнительная помощь в движении бедер, его снабжают специальным набедренным поясом. Система регулирует как взаимодействие протеза с его носителем с учетом индивидуального характера движения его тела, так и с поверхностью, по которой он движется.

Система апробирована на одиннадцати добровольцах, и сейчас очевидно, что нужно снизить вес протеза и уменьшить его размер для комфорта пациентов. Разработчики надеются, что если не будет перебоев с финансированием, бионические ноги будут полностью готовы к использованию через 2-3 года.

Источники:

Prosthetic hand recreates feeling of cotton bud touch

Thought control makes robot arm grab and move objects

Cyberlegs project wants to equip amputees with robotic limbs