2020-4-24 14:11 |
Новая система восстановила у парализованного человека способность двигать рукой и ощущать прикосновения к ней. Это первый интерфейс "мозг–компьютер", решающий сразу обе эти задачи.
Новая система восстановила у парализованного человека способность двигать рукой и ощущать прикосновения к ней. Это первый интерфейс "мозг-компьютер", решающий сразу обе эти задачи.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Cell.
"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) уже рассказывали о непростой судьбе Йэна Бёркхарта (Ian Burkhart). В 19 лет он неудачно нырнул и сломал позвоночник. Вот уже девять лет у молодого человека не функционируют руки ниже локтя. Повреждённый спинной мозг не обеспечивает им должной связи с головным мозгом. Пациент не может ни пошевелить кистью, ни почувствовать прикосновение к ней.
Исследователи создали систему, которая частично восстановила подвижность правой руки Бёркхарта. В 2014 году они вживили ему в голову небольшой имплантат. Этот прибор считывает команды, посылаемые мозгом правой руке. Затем устройство передаёт сигнал на специальный рукав, стимулирующий мышцы пациента с помощью электрических разрядов. Так информация передаётся от головного мозга к конечности без участия спинного мозга.
После нескольких лет упорных тренировок испытуемый научился выполнять простые движения. Он может взять чашку кофе, приложить банковскую карту к сканеру и так далее.
Но, конечно, Бёркхарту далеко до ловкости здорового человека. До недавнего времени одна из причин состояла в том, что у него не было осязания, которое очень помогает нам управлять движениями.
"До сих пор собственная рука порой казалась Йэну чужой из-за отсутствия сенсорной обратной связи, — рассказывает первый автор новой статьи Патрик Гэнзер (Patrick Ganzer) из Мемориального института Баттеля. — У него также возникают проблемы с управлением рукой, если он не наблюдает за своими движениями внимательно. Это требует большой концентрации и делает почти невозможной обычную многозадачность, позволяющую, например, пить содовую во время просмотра телевизора".
Теперь исследователи нашли способ хотя бы частично вернуть кисти правой руки своего подопечного осязание. Объясним, каким образом.
К счастью, в спинном мозге молодого мужчины осталось некоторое количество неповреждённых нервных волокон, передающих в головной мозг сигнал от осязательных рецепторов правой руки. Конечно, их слишком мало для нормальной работы осязания, поэтому Йэн и лишён тактильных ощущений. Но всё же эта информация достигает мозга.
Ещё одно важное обстоятельство связано с тем, что осязательный сигнал поступает в несколько регионов мозга. В том числе и в первичную моторную кору, основная функция которой — управлять движениями. А это та самая область, в которую у Бёркхарта уже вживлены считывающие электроды.
Система разделяет осязательную и моторную информацию в моторной коре головного мозга и направляет их к разным устройствам. Перевод Вести.Наука.
Иллюстрация Patrick D. Ganzer et al, Cell (2020).
Учёные заново дешифровали данные, получаемые имплантатом от мозга. Они отделили команды на движение руки от слабого сенсорного сигнала, связанного с осязанием (что было совсем не тривиальной задачей).
Затем нейробиологи добавили к своей разработке ещё один элемент. Это вибрирующее кольцо, надеваемое на бицепс, где у Йэна сохранилась чувствительность.
Теперь, когда испытуемый в лаборатории прикасается к предметам правой рукой, происходит следующее. Сохранившиеся нервные волокна спинного мозга передают головному мозгу слабый осязательный сигнал. В моторной коре возникает связанная с осязанием активность, "перемешанная" с командами на движение руки. Вживлённые в мозг электроды считывают этот неразделённый сигнал и по проводам передают его на компьютер. Специальный алгоритм отделяет директивы на движение от данных, связанных с осязанием.
Моторные команды передаются на рукав, стимулирующий мышцы, управляющие движением кисти (поясним, что эти мускулы тянутся к кисти от предплечья, на которое и надет рукав). Осязательная же информация поступает на вибробраслет на бицепсе пациента и приводит его в движение.
Получается, что, трогая что-то кистью, Йэн испытывает тактильные ощущения на бицепсе. А это уже осязательная обратная связь, позволяющая корректировать движения.
Авторы отмечают, что их детище стало первым нейроинтерфейсом, который обеспечивает одновременно и движение, и осязание. Ещё удивительнее, что для такого масштабного апгрейда не пришлось вживлять электроды в первичную соматосенсорную кору, отвечающую за осязание. Это важно, ведь чем меньше в мозге инородных тел, тем меньше риска для пациента.
Теперь Бёркхарт выполняет движения кистью быстрее и успешнее, чем раньше. Кроме того, он может на ощупь обнаружить присутствие предмета (это удаётся в 90% случаев). Наконец, теперь Йэн соизмеряет силу захвата в зависимости от массы и жёсткости объекта, который он берёт в руку.
Исследователи надеются, что со временем их подопечный научится манипулировать объектами, не глядя на них.
Кроме того, они работают над тем, чтобы Бёркхарт смог пользоваться своими новыми возможностями дома, а не только в лаборатории. Для этого, в частности, нужен новый рукав, который было бы легко снять и надеть. Кроме того, новая система должна управляться с планшета, а не полноформатного компьютера.
Отметим также, что было бы ещё лучше сделать её беспроводной (хотя это наверняка сложная задача).
К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как электронные протезы научили чувствовать боль, и о датчиках, которые помогут наделить протезы осязанием.
Аналог Ноткоин - TapSwap Получай Бесплатные Монеты
Подробнее читайте на vesti.ru
