Создан человеческий мозговой имплантат для получения тактильных ощущений от механической руки
Осязание — обратная связь, которую мы получаем при использовании руки. Благодаря осязанию можно манипулировать предметами не глядя: захватывать их, гладить, бить и т.д. Обратная связь необходима для аккуратного обращения с хрупкими предметами типа яиц. Осязание даёт критически важную информацию для мгновенного рефлекторного реагирования — чтобы человек сохранил в целости свои механизмы и органы.
В конце концов, благодаря осязанию мозг получает информацию о некоторых свойствах объектов — такие свойства нельзя узнать иначе. Например, мягкость/твёрдость, упругость, липкость и т.д. С помощью этих данных в мозге происходит вычисление других свойств объекта, что позволяет надёжно предсказать будущее, то есть предсказать результат взаимодействия с объектом.
Важность осязания бесспорна. В этой связи очень удручает, что конструкторы биопротезов до сих пор не нашли надёжного способа передавать в мозг человека информацию с сенсоров механических рук.
До сих пор ни один коммерчески доступный протез рук и ног не комплектуется сенсорами осязания, потому что эту информацию всё равно невозможно передать человеку в реальном времени, то бишь естественным путём: через нервные окончания в мозг.
Помните, как Люк Скайуокер почувствовал боль, когда игла уколола его в только что установленную бионическую руку? Конечно, хотелось бы сделать такую технологию доступной не только для ситхов, но и для обычных людей.
Инженеры давно пытаются решить проблему. Очевидно, что требуется взаимодействие с центральной нервной системой человека, протокол которой пока не расшифрован до конца. Приходится искать обходные пути, чтобы совместить живые нейронные структуры и механические конструкции. Сейчас этим занимается прикладная наука нейроинженерия. Группа нейроинженеров из Питтсбургского университета (США) нашла возможное решение для передачи тактильных импульсов от механической руки.
Инженеры попытались заменить естественное осязание искусственными импульсами в надежде, что мозг сам настроится на новый сигнал. В коре головного мозга монтируются электроды, которые стимулируют отдельные участки в соответствии с показаниями сенсоров на механической руке. У человека возникает чувство, что он как будто что-то трогает.
Этот феномен описан в нескольких научных работах. Похоже, впервые он был замечен в 1997 году и описан в научной работе в журнале Nature. Тогда учёные обратили внимание, что стимуляция отдельных участков коры головного мозга заставляет животных реагировать так, словно их руки двигаются. Но что конкретно чувствуют животные при стимуляции мозга — осталось неизвестным. В последующие годы такие опыты проводились на людях: испытуемые подтвердили, что ощущают некие чувства в конечностях.
В Питтсбургском университете провели длительный шестимесячный эксперимент на 28-летнем пациенте Нейтане Коуплэнде (Nathan Copeland) с давним повреждением спинного мозга. Парень в 2004 году попал в ДТП и сломал шею.
В мозг Нейтана внедрили два нейроимплантата с решёткой из 60 электродов размером 2,4×4 мм. Провод из мозга выходит наружу головы и подключается к внешнему металлическому модулю, который служит для связи.
Самым сложным было найти подходящее место на коре головного мозга для внедрения имплантатов. Учёные долго изучали составляли функциональную карту мозга, пытаясь точно определить участок коры, в котором происходит обработка тактильных сигналов. Для этого пациента, который 10 лет ничего не трогал руками, заставляли активно думать о том, как он трогает и щупает разными пальцами. В это же время снимались показания магнитно-резонансной томографии.
В конце концов, учёным удалось-таки составить примерную карту участков соматосенсорной области коры, связанных с обработкой информацией с каждого из трёх пальцев руки (большой, указательный, мизинец) и с ладони.
Импланты вставили аккуратно рядом с соответствующими нейронами, а пациента подключили к системе микростимуляции, подавая слабые импульсы на электроды и отслеживая реакцию. Тот сообщил, что чувствует различные сочетания вибраций, прикосновений, давления и покалываний как будто в суставах и под кожей руки. Что интересно, карта ощущений практически не изменилась за шесть месяцев.
Для главного научного эксперимента модуль связи имплантата подключили к механическому протезу — и записывали ощущения, которые возникают у пациента при различных действиях механической руки. Выяснилось, что нажатие на пальцы он правильно распознаёт в 84% случаев, а по мере тренировки — в 100% случаев.
Учёный нажимает на палец руки, когда у пациента завязаны глаза
Тактильный интерфейс для искусственной конечности пытались создать и раньше. Например, в рамках программы DARPA HAPTIX идёт разработка нейроинтерфейса для передачи тактильных сигналов от протеза в нервную систему. На рентгеновском снимке внизу видны электроды, хирургически имплантированные в предплечье и подключенные проводами к внешнему компьютеру. В идеале, сенсорные сигналы от протеза поступают через тактильный интерфейс в периферийную нервную систему, оттуда — в спинной мозг.
Электроды, хирургически имплантированные в предплечье и подключенные проводами к внешнему компьютеру
Учёным проекта HAPTIX удалось добиться неплохого результата в создании тактильного интерфейса. Но он никак не может помочь людям, страдающим от повреждений спинного мозга. А вот разработка нейронженеров из Питтсбургского университета — может помочь.
Ценность нового метода в том, что информация в мозг передаётся напрямую от руки, в обход спинного мозга, хоть по беспроводному каналу. Это даёт надежду огромному количеству людей, которые живут с повреждениями спинного мозга. Только в США таких от 243 000 до 347 000 человек, по оценке Национального статистического центра по травмам спинного мозга. Если аппроксимировать, то во всём мире их должно быть несколько миллионов. В зависимости от степени повреждения нервных путей, эффекты различаются по силе: от частичной потери ощущений в пальцах до полной потери способности контролировать целую конечность.
Именно людям с повреждениями спинного мозга лучше всего подходит имплантация приёмника сигналов в мозг. Жаль только, что у каждого человека карта мозга имеет свои особенности, так что перед имплантацией придётся осуществлять индивидуальное картирование соматосенсорной области коры, то есть несколько сеансов МРТ.
Мозговой тактильный имплантат ещё нуждается в доработке. Он и близко не сравнится с живой рукой, а вместо некоторых тактильных ощущений пациент чувствует покалывание. Учёным так и не удалось симулировать осязание с отдельных частей руки, например, с кончиков пальцев. Возможно, необходимо более точное позиционирование электродов в соматосенсорной коре головного мозга. Может быть, количество электродов следует увеличить.
Научная статья с описанием инновационного имплантата будет опубликована 19 октября 2016 года в журнале Science Translational Medicine (doi: 10.1126/scitranslmed.aaf8083).
