Американские ученые разработали нейроинтерфейс, который позволил полностью парализованному человеку осязать предметы с помощью протеза. Результаты работы опубликованы в журнале Science Translational Medicine.
Подготовка к испытаниям нейроинтерфейса
Большинство экспериментальных интерфейсов, обеспечивающих чувствительность руке-протезу, подключаются к периферическим нервам. В процессе тренировки их стимуляция приводит к формированию новых нейрональных связей в мозге, которые переводят сигналы от датчиков протеза в тактильные ощущения. Такие ощущения, как правило, далеки от натуральных и напоминают покалывание или пощипывание. Кроме того, подобные интерфейсы требуют ненарушенной связи периферических нервов с корой мозга и не подходят пациентам с травмами спинного мозга или нейродегенеративными заболеваниями.
Сотрудники Университетов Питтсбурга и Чикаго создали осязательный интерфейс, который подключается непосредственно к области коры мозга, отвечающей за тактильную чувствительность в руке. Для испытания системы они пригласили 28-летнего Нейтана Коупленда (Nathan Copeland), который в 2004 году попал в аварию и получил травму шейного отдела позвоночника, приведшую к параличу всех конечностей.
Ученые определили требуемый участок соматосенсорной коры Коупленда с помощью МРТ и магнитоэнцефалографии, после чего имплантировали в него четыре датчика с микроэлектродами. В течение нескольких месяцев они подавали на различные комбинации электродов слабые электрические импульсы, регистрируя ощущения, которые они вызывают, и их локализацию на виртуальной ладони. Затем интерфейс подключили к датчикам на роботизированном протезе руки, созданном в Университете Джонса Хопкинса.
Имплантируемые микроэлектроды
После периода адаптации и тренировок Коупленд обрел возможность правильно распознавать прикосновения к отдельным пальцам почти в 100 процентах случаев. По его словам, иногда ощущения напоминают действие электрического тока или давление, но в большинстве случаев он чувствует прикосновения и нажатия, близкие к естественным. Температурную чувствительность пока восстановить не удалось.
«Наиболее важным результатом исследования стало то, что микроэлектростимуляция сенсорной коры может обеспечивать натуральные ощущения, а не простое пощипывание. Такая стимуляция безопасна, и ощущения пациента стабильны на протяжении уже нескольких месяцев», — пояснил один из авторов работы Эндрю Шварц (Andrew Schwartz).
На следующем этапе работы ученые планируют совместить осязательную систему с разработанным ранее нейроинтерфейсом, управляющим движениями протеза. Конечная цель состоит в создании устройства, максимально близкого по функциям к настоящей руке, однако, по словам исследователей, для этого потребуется долгая работа.
Разработкой бионических протезов с различными функциями и предназначением занимаются многие научно-инженерные коллективы. Так, уже существуют экспериментальные протезы, обеспечивающие тонкую чувствительность пальца, предупреждающие об ожоге ударом тока, а также нейроинтерфейс, позволяющий управлять отдельными пальцами протеза. В Университете Кейс-Уэстерн создана искусственная рука, которая способна совершать различные тонкие действия. Компания Open Bionics ведет разработку бионической руки из игры Deus Ex, а их конкуренты Mobius Bionics пообещали начать серийный выпуск протеза имени Люка Скайуокера до конца 2016 года.