Тонко настроенный интерфейс «мозг-компьютер» делает протезы конечностей более реальными
Вероятно, вы можете выполнить невероятное количество задач руками, не глядя на них. Но если вы наденете перчатки, которые приглушают ваше осязание, многие из этих простых задач станут раздражающими. Отнимите у вас проприоцепцию — способность ощущать относительное положение и движение вашего тела — и вы можете даже сломать предмет или травмироваться.
«Большинство людей не осознают, как часто они полагаются на осязание вместо зрения — печатая, ходя, поднимая хлипкую чашку с водой», — сказал Чарльз Гринспон, доктор философии, нейробиолог из Чикагского университета. «Если вы не можете чувствовать, вам придется постоянно следить за рукой, делая что-либо, и вы все равно рискуете пролить, раздавить или уронить предметы».
Гринспон и его коллеги-исследователи недавно опубликовали статьи в журнале Nature Biomedical Engineering and Science, в которых зафиксирован значительный прогресс в области технологии, предназначенной для решения именно этой проблемы: прямая, тщательно рассчитанная электрическая стимуляция мозга, которая может воссоздать тактильную обратную связь, чтобы придать протезам рук тонкие «ощущения» .
Наука восстановления ощущений
Эти новые исследования основаны на многолетнем сотрудничестве ученых и инженеров из Чикагского университета, Питтсбургского университета, Северо-Западного университета, Университета Кейс Вестерн Резерв и Blackrock Neurotech. Вместе они проектируют, строят, внедряют и совершенствуют интерфейсы мозг-компьютер (BCI) и роботизированные протезы рук, направленные на восстановление как двигательного контроля, так и чувствительности у людей, которые потеряли значительную часть функций конечностей.
Со стороны Чикагского университета исследованием руководил нейробиолог, доктор философии Слиман Бенсмая до своей неожиданной кончины в 2023 году.
Подход исследователей к протезным ощущениям заключается в размещении крошечных электродных массивов в частях мозга, отвечающих за движение и ощущение руки. С одной стороны, участник может двигать роботизированной рукой , просто думая о движении, а с другой стороны, датчики на этой роботизированной конечности могут вызывать импульсы электрической активности, называемые интракортикальной микростимуляцией (ИКМС), в части мозга, отвечающей за прикосновение.
Гринспон объяснил, что на протяжении примерно десятилетия такая стимуляция тактильного центра могла обеспечить лишь простое чувство контакта в разных местах руки.
«Мы могли вызвать ощущение, что вы к чему-то прикасаетесь, но в основном это был просто сигнал включения/выключения, и часто он был довольно слабым, и было трудно определить, в какой части руки произошел контакт», — сказал он.
Недавно опубликованные результаты знаменуют собой важные вехи на пути преодоления этих ограничений.
Расширение понимания искусственного прикосновения
В первом исследовании, опубликованном в журнале Nature Biomedical Engineering , Гринспон и его коллеги сосредоточились на том, чтобы убедиться, что тактильные ощущения, вызванные электричеством, стабильны, точно локализованы и достаточно сильны, чтобы быть полезными для повседневных задач.
Подавая короткие импульсы на отдельные электроды в тактильных центрах участников и заставляя их сообщать, где и насколько сильно они чувствовали каждое ощущение, исследователи создали подробные «карты» областей мозга, которые соответствовали определенным частям руки.
Тестирование показало, что при одновременной стимуляции двух близко расположенных электродов участники ощущают более сильное и четкое прикосновение, что может улучшить их способность определять и измерять давление на нужную часть руки.
Исследователи также провели исчерпывающие испытания, чтобы подтвердить, что один и тот же электрод неизменно создает ощущение, соответствующее определенному месту.
«Если я стимулирую электрод в первый день, и участник чувствует его на своем большом пальце, мы можем протестировать этот же электрод на 100-й день, на 1000-й день и даже много лет спустя, и он все равно будет чувствовать его примерно в том же месте», — сказал Гринспон, который был ведущим автором этой статьи.
С практической точки зрения, любое клиническое устройство должно быть достаточно стабильным, чтобы пациент мог полагаться на него в повседневной жизни. Электрод, который постоянно меняет свое «место касания» или производит непостоянные ощущения, будет раздражать и потребует частой повторной калибровки.
Напротив, долгосрочная стабильность, выявленная в ходе исследования, может позволить пользователям протезов развить уверенность в контроле своих движений и осязании, как и в случае с естественными конечностями.
Добавление ощущений движения и форм
Дополнительный научный доклад пошел на шаг дальше, чтобы сделать искусственное прикосновение еще более захватывающим и интуитивным. Проект был возглавлен первым автором Джакомо Валле, доктором философии, бывшим постдокторантом в UChicago, который сейчас продолжает свои исследования в области бионики в Технологическом университете Чалмерса в Швеции.
«Два электрода, расположенных рядом друг с другом в мозге, не создают ощущений, которые «разбивают» руку на аккуратные маленькие участки с соответствием один к одному; вместо этого сенсорные локации перекрываются», — объяснил Гринспон, который разделил с Бенсмайей основное авторство этой статьи.
Исследователи решили проверить, могут ли они использовать эту перекрывающуюся природу для создания ощущений, которые могли бы позволить пользователям чувствовать границы объекта или движение чего-то, скользящего по их коже. После определения пар или кластеров электродов, чьи «зоны касания» перекрывались, ученые активировали их в тщательно организованных схемах для создания ощущений, которые прогрессировали по сенсорной карте.
Участники описывали ощущение мягкого скользящего прикосновения, плавно проходящего по их пальцам, несмотря на то, что стимул подавался небольшими, дискретными шагами. Ученые связывают этот результат с замечательной способностью мозга сшивать сенсорные входы и интерпретировать их как связные, движущиеся переживания, «заполняя» пробелы в восприятии.
Подход последовательной активации электродов также значительно улучшил способность участников различать сложные тактильные формы и реагировать на изменения в объектах, к которым они прикасались. Иногда они могли идентифицировать буквы алфавита, электрически «отслеживаемые» на кончиках их пальцев, и могли использовать бионическую руку, чтобы удерживать рулевое колесо, когда оно начинало проскальзывать сквозь руку.
Эти достижения помогают приблизить бионическую обратную связь к точным, сложным, адаптивным возможностям естественного осязания, прокладывая путь к протезированию, которое позволяет уверенно обращаться с повседневными предметами и реагировать на меняющиеся стимулы.
Будущее нейропротезирования
Исследователи надеются, что по мере совершенствования конструкций электродов и хирургических методов покрытие руки станет еще тоньше, что позволит получать более реалистичную обратную связь.
«Мы надеемся интегрировать результаты этих двух исследований в наши робототехнические системы, где мы уже показали , что даже простые стратегии стимуляции могут улучшить способность людей управлять роботизированными руками с помощью мозга», — сказал соавтор Роберт Гонт, доктор философии, доцент кафедры физической медицины и реабилитации и руководитель работы по стимуляции в Университете Питтсбурга.
Гринспон подчеркнул, что мотивацией этой работы является повышение независимости и качества жизни людей, живущих с потерей конечностей или параличом.
«Мы все заботимся о людях в нашей жизни, которые получают травмы и теряют возможность пользоваться конечностью — это исследование для них», — сказал он. «Так мы возвращаем людям осязание. Это передовой фронт восстановительной нейротехнологии, и мы работаем над тем, чтобы распространить этот подход на другие области мозга».
Этот подход также является многообещающим для людей с другими типами потери чувствительности. Фактически, группа также сотрудничала с хирургами и акушерами в Чикагском университете в рамках проекта Bionic Breast , целью которого является создание имплантируемого устройства, способного восстановить чувство прикосновения после мастэктомии.
Хотя остается много проблем, эти последние исследования свидетельствуют о том, что путь к восстановлению осязания становится яснее. С каждым новым набором результатов исследователи приближаются к будущему, в котором протезная часть тела будет не просто функциональным инструментом, но и способом познания мира.