Соматосенсорные протезы

В октябре 2016 года группа нейро-компьютерных интерфейсов Питтсбургского университета анонсировала успешное тестирование сенсорного нейропротеза руки. Речь идет об инвазивном интерфейсе мозг-компьютер (иИМК), соединяющем нейроны как двигательной, так и чувствительной коры головного мозга с протезом руки.

Такая технология позволяет пациентам с парализованными конечностями (в результате травмы, прогрессирующего неврологического заболевания и т.п.) взаимодействовать с окружающей средой.

Разработанные ранее иИМК позволяли пациентам реализовывать с помощью нейропротеза только двигательную функцию. На рисунке 1 представлен нейропротез руки, разработанный учеными того же университета в 2012 году.

Пациентке с тетраплегией (отсутствием движений во всех конечностях) были вживлены электроды в двигательную кору головного мозга и соединены с роботизированной рукой-протезом. Пациентка смогла управлять протезом руки, в том числе для реализации самостоятельного приема пищи.

Рис. 1. Нейропротез руки, представленный учеными Питтсбургского университета в 2012 г (источник: база иллюстраций UPMC).

Отличие сенсорного нейропротеза от представленных ранее иИМК заключается в способности передавать тактильные сигналы (сигналы о прикосновении) с протеза в кору головного мозга. Участник Питтсбургского эксперимента, 28-летний пациент с тетраплегией, Натан Коуплэнд, способен не только двигать нейропротезом руки, но и ощущать прикосновение к нему (рисунок 2).

После решения о включении Натана в эксперимент, ему проводили картирование коры головного мозга для точного определения места для вживления электродов. Всего в кору головного мозга пациента было вживлено 4 электрода, каждый размером в половину пуговицы.

Уже через месяц после операции пациент мог ощущать прикосновения к руке и определять локализацию прикосновения. Кроме чувства прикосновения и давления, разработанный нейропротез не позволяет различать ощущения других модальностей, таких как тепло или холод.

Рис. 2.Сенсорный нейропротез руки, представленный в 2016 г. Слева: пациент управляет протезом, чтобы пожать руку профессору Эндрю Шварцу; справа: исследователь проводит тест на проверку чувствительности (источник: база иллюстраций UPMC).

На видео, представленном группой ученых Питтсбургского университета, Натан с закрытыми глазами называет палец, к которому прикасается исследователь.

Важно отметить, что на момент участия в эксперименте Натан Коуплэнд был парализован  и лишен чувствительности конечностей уже в течение 12 лет. Тем не менее, его нервная система не «забыла» ощущение прикосновения, что удалось воспроизвести в данном эксперименте.

Следующая задача, которую поставила перед собой команда Питтсбурского университета – создание сенсорного нейропротеза, воспроизводящего чувствительность всех модальностей.


Достижения ученых и разработчиков Питтсбургского университета действительно заслуживает восхищения. Мозг человека функционирует не так просто, как нас учили на уроках биологии, курсах анатомии и физиологии. Чтобы реализовать эксперимент с внутрикорковой микростимуляцией, ученым понадобились годы для изучения особенностей функционирования соматосенсорной коры. Параллельно разрабатывались датчики прикосновения и давления, помещенные в кисть протеза.

Наличие чувствительности принципиально важно для контроля двигательного акта, манипуляций с различными предметами. Поэтому подобные соматосенсорные протезы могут обеспечить более четкий контроль движения роботизированной руки. Не стоит забывать и о психологической составляющей: пациенты после долгих лет лишения двигательной и чувствительной функций имеют шанс в той или иной степени их  компенсировать.

Несмотря на это достижение, ученым предстоит немало трудов в направлении дальнейших разработок сенсорных нейропротезов. Прежде всего, это обусловлено сложностью функционирования центральной нервной системы человека, большой вариабельностью и индивидуальностью ее анатомии и физиологии.

Источники:

  1. Flesher SN, Collinger JL, Foldes ST, Weiss JM, Downey JE, Tyler-Kabara EC, Bensmaia SJ, Schwartz AB, Boninger ML, Gaunt RA. Intracortical microstimulation of human somatosensory cortex. Sci Transl Med. 2016 Oct 19;8(361):361ra141. Epub 2016 Oct 13.
  2. http://www.upmc.com/media/NewsReleases/2016/Pages/bci_scitransl-lms.aspx
  3. http://www.upmc.com/media/media-kit/bci/Pages/images.aspx (база иллюстраций UPMC)

Добавить комментарий

Такой e-mail уже зарегистрирован. Воспользуйтесь формой входа или введите другой.

Вы ввели некорректные логин или пароль

Извините, для комментирования необходимо войти.