Fino podešen interfejs mozak-računar čini da se protetski udovi osećaju stvarnijim

Fino podešen interfejs mozak-računar čini da se protetski udovi osećaju stvarnijim

Verovatno možete da izvršite neverovatan broj zadataka svojim rukama, a da ih ne pogledate. Ali ako stavite rukavice koje prigušuju vaš osećaj dodira, mnogi od tih jednostavnih zadataka postaju frustrirajući. Oduzmite propriocepciju – svoju sposobnost da osetite relativni položaj i kretanje svog tela – i možda ćete čak na kraju razbiti neki predmet ili se povrediti.

„Većina ljudi ne shvata koliko se često oslanjaju na dodir umesto na vid – kucanje, hodanje, uzimanje male šolje vode“, rekao je dr Čarls Grinspon, neuronaučnik sa Univerziteta u Čikagu. „Ako ne možete da osetite, morate stalno da pazite na svoju ruku dok radite bilo šta, a i dalje rizikujete da prospete, zgnječite ili ispustite predmete.

Greenspon i njegovi istraživači saradnici su nedavno objavili radove u Nature Biomedical Engineering and Science koji dokumentuju veliki napredak u tehnologiji dizajniranoj da se bavi upravo ovim problemom: direktna, pažljivo vremenska električna stimulacija mozga koja može ponovo stvoriti taktilnu povratnu informaciju kako bi pružila nijansirani „osećaj“ protetskim rukama. .

Ove nove studije se zasnivaju na dugogodišnjoj saradnji između naučnika i inženjera u Čikagu, Univerzitetu u Pitsburgu, Univerzitetu Northvestern, Univerzitetu Case Vestern Reserve i Blackrock Neurotech. Zajedno dizajniraju, grade, implementiraju i usavršavaju interfejse mozak-kompjuter (BCI) i robotske protetske ruke koje imaju za cilj obnavljanje kontrole motora i osećaja kod ljudi koji su izgubili značajnu funkciju udova.

Na strani Učikaga, istraživanje je vodio neuronaučnik dr Sliman Bensmaia, do njegovog neočekivanog odlaska 2023. godine.

Pristup istraživača protetskom osećaju uključuje postavljanje sićušnih nizova elektroda u delove mozga odgovorne za kretanje i osećaj ruke. S jedne strane, učesnik može da pomera robotsku ruku jednostavnim razmišljanjem o pokretu, a sa druge strane, senzori na tom robotskom udu mogu pokrenuti impulse električne aktivnosti zvane intrakortikalna mikrostimulacija (ICMS) u delu mozga posvećenom dodiru.

Otprilike deceniju, objasnio je Grinspon, ova stimulacija centra za dodir mogla je da pruži samo jednostavan osećaj kontakta na različitim mestima na ruci.

„Mogli bismo da izazovemo osećaj da dodirujete nešto, ali to je uglavnom bio samo signal za uključivanje/isključivanje, a često je bio prilično slab i teško je reći gde je došlo do kontakta na ruci“, rekao je on.

Novoobjavljeni rezultati označavaju važne prekretnice u prevazilaženju ovih ograničenja.

U prvoj studiji, objavljenoj u Nature Biomedical Engineering, Greenspon i njegove kolege fokusirali su se na to da senzacije dodira izazvane električnom energijom budu stabilne, tačno lokalizovane i dovoljno jake da budu korisne za svakodnevne zadatke.

Isporukom kratkih impulsa pojedinačnim elektrodama u dodirnim centrima učesnika i obaveštavanjem o tome gde i koliko snažno su osetili svaki osećaj, istraživači su napravili detaljne „mape“ područja mozga koja su odgovarala određenim delovima ruke.

Testiranje je otkrilo da kada se dve blisko raspoređene elektrode stimulišu zajedno, učesnici osećaju jači, jasniji dodir, što može poboljšati njihovu sposobnost lociranja i merenja pritiska na ispravan deo ruke.

Istraživači su takođe sproveli iscrpne testove kako bi potvrdili da ista elektroda dosledno stvara osećaj koji odgovara određenoj lokaciji.

„Ako stimulišem elektrodu prvog dana i učesnik je oseti na palcu, možemo da testiramo tu istu elektrodu 100. dana, 1.000, čak i mnogo godina kasnije, a oni je i dalje osećaju na približno istom mestu“, rekao je Grinspon. , koji je bio glavni autor ovog rada.

Sa praktičnog stanovišta, svaki klinički uređaj bi morao da bude dovoljno stabilan da bi se pacijent mogao oslanjati na njega u svakodnevnom životu. Elektroda koja neprestano pomera svoju „lokaciju dodira“ ili proizvodi nedosledne senzacije bila bi frustrirajuća i zahtevala bi čestu ponovnu kalibraciju.

Nasuprot tome, dugoročna konzistentnost koju je ova studija otkrila mogla bi omogućiti korisnicima proteza da razviju poverenje u svoju motoričku kontrolu i osećaj dodira, baš kao što bi to učinili u svojim prirodnim udovima.

Komplementarni naučni rad otišao je korak dalje kako bi veštački dodir učinio još impresivnijim i intuitivnijim. Projekat je vodio prvi autor Giacomo Valle, Ph.D., bivši postdoktorski saradnik u Čikagu koji sada nastavlja svoja istraživanja bionike na Tehnološkom univerzitetu Chalmers u Švedskoj.

„Dve elektrode jedna pored druge u mozgu ne stvaraju senzacije koje ‘popločaju’ ruku u uredne male zakrpe sa korespondencijom jedan-na-jedan; umesto toga, senzorne lokacije se preklapaju“, objasnio je Grinspon, koji je delio više autorstvo za ovo papir sa Bensmaijom.

Istraživači su odlučili da testiraju da li mogu da iskoriste ovu preklapajuću prirodu da stvore senzacije koje bi omogućile korisnicima da osete granice objekta ili kretanje nečega što klizi duž njihove kože. Nakon što su identifikovali parove ili grupe elektroda čije su se „zone dodira“ preklapale, naučnici su ih aktivirali u pažljivo orkestriranim obrascima kako bi generisali senzacije koje su napredovale preko senzorne mape.

Učesnici su opisali osećaj nežnog klizanja dodira koji glatko prelazi preko njihovih prstiju, uprkos tome što se stimulans isporučuje malim, diskretnim koracima. Naučnici pripisuju ovaj rezultat izuzetnoj sposobnosti mozga da spoji senzorne inpute i protumači ih kao koherentna, pokretna iskustva „popunjavanjem“ praznina u percepciji.

Pristup sekvencijalno aktivirajućih elektroda takođe je značajno poboljšao sposobnost učesnika da razlikuju složene taktilne oblike i reaguju na promene u objektima koje su dodirnuli. Ponekad su mogli da identifikuju slova abecede koja su im električno „trasirana“ na vrhovima prstiju, a mogli su da koriste bioničku ruku da učvrste volan kada počne da klizi kroz ruku.

Ova poboljšanja pomažu da se bionička povratna informacija približi preciznim, složenim, prilagodljivim sposobnostima prirodnog dodira, utirući put za protetiku koja omogućava pouzdano rukovanje svakodnevnim predmetima i odgovore na promenljive stimuluse.

Istraživači se nadaju da će, kako se dizajn elektroda i hirurške metode nastavljaju poboljšavati, pokrivenost preko ruke postati još finija, omogućavajući realističnije povratne informacije.

„Nadamo se da ćemo rezultate ove dve studije integrisati u naše robotske sisteme, gde smo već pokazali da čak i jednostavne strategije stimulacije mogu poboljšati sposobnosti ljudi da kontrolišu robotske ruke svojim mozgom“, rekao je koautor Robert Gaunt, dr. , vanredni profesor fizikalne medicine i rehabilitacije i rukovodilac stimulativnog rada na Univerzitetu u Pitsburgu.

Greenspon je naglasio da je motivacija iza ovog rada da se poboljša nezavisnost i kvalitet života ljudi koji žive sa gubitkom ili paralizom udova.

„Svi mi brinemo o ljudima u našim životima koji se povređuju i izgube upotrebu udova — ovo istraživanje je za njih“, rekao je on. „Ovako vraćamo dodir ljudima. To je prednja strana restorativne neurotehnologije i radimo na tome da proširimo pristup na druge regione mozga.“

Pristup takođe obećava za ljude sa drugim vrstama senzornog gubitka. U stvari, grupa je takođe sarađivala sa hirurzima i akušerima u Učikagu na projektu Bionic Breast, koji ima za cilj proizvodnju implantabilnog uređaja koji može vratiti osećaj dodira nakon mastektomije.

Iako ostaju mnogi izazovi, ove najnovije studije nude dokaze da put ka obnavljanju dodira postaje jasniji. Sa svakim novim skupom nalaza, istraživači se približavaju budućnosti u kojoj protetski deo tela nije samo funkcionalno oruđe, već način da se iskusi svet.