0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Нейроинтерфейс: как заставить протезы чувствовать

Нейроинтерфейс впервые вернул пациенту одновременно осязание и подвижность

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.

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.

Читать еще:  Кутья и голуби. ТОП глупостей о Крещении-2019

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).

Новый нейроинтерфейс позволил управлять отдельными пальцами протеза

Схема наложения электродов

Американские исследователи разработали нейроинтерфейс, позволяющий управлять отдельными пальцами биомеханического протеза. О своей работе они пишут в Journal of Neural Engineering.

Современные протезы, управляемые мозгом пациента, обеспечивают только синхронные движения пальцами, при которых кисть работает, как простой зажим (подобное движение человек совершает, например, когда берет теннисный мяч). Сотрудники Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, пригласили для участия в эксперименте пациента с эпилепсией, которому для выявления очага судорожной активности было назначено электрокортикографическое картирование мозга (ЭКоГ, регистрация мозговой активности с помощью электродов, подведенных непосредственно к коре мозга).

На участок коры мозга добровольца, отвечающий за движение кисти, наложили прямоугольную пластину со 128 электродами. Каждый из них регистрировал электрическую активность участка мозга диаметром около одного миллиметра. Затем пациенту предложили поочередно шевелить пальцами и записывали полученные сигналы. Электрическую активность коры при обработке тактильных ощущений зарегистрировали с помощью вибрационной перчатки, раздражающей кончики пальцев.

Полученные данные обработали с помощью специально разработанного алгоритма, и путем машинного обучения создали интерфейс упреждающего анализа сигналов мозга. Этот интерфейс позволил участнику исследования управлять пальцами модульного биомеханического протеза руки (Modular Prosthetic Limb) без предварительного обучения.

Читать еще:  Пустая трасса, степь и бездонный купол неба – как в песне «ДДТ»

В начале эксперимента точность управления отдельными пальцами составила 76 процентов. Когда в алгоритме объединили безымянный палец и мизинец, которые в норме часто движутся совместно, этот показатель повысился до 88 процентов. Точность полного сгибания заданного пальца составила соответственно 64 и 77 процентов. После оптимизации выбора электродов максимальная точность управления отдельным пальцем достигла 96,5 процента. Движениям и тактильной обратной связи сопутствовала специфическая активация соответствующих участков коры мозга.

«Полученные результаты показали, что основанный на ЭКоГ нейроинтерфейс способен использовать природную анатомию сенсомоторной коры для управления отдельными пальцами в реальном времени без предварительных тренировок», — пишут авторы исследования. По словам одного из них, профессора неврологии Нэйтана Кроуна (Nathan Crone), для клинического применения технологию необходимо существенно доработать, и основанный на ней протез будет дорогостоящим.

Нейроинтерфейс помог вернуть чувство осязания пациенту с травмой спинного мозга

Благодаря интерфейсу «мозг — компьютер» ученые смогли вернуть парализованному человеку моторную функцию и чувство осязания, используя остаточную сенсорную сигнализацию от его собственной руки.

Нейрофизиологам из Мемориального института Баттеля (США) и Векснерского медицинского центра при Университете штата Огайо впервые удалось восстановить чувство осязания и моторную функцию у парализованного 28-летнего пациента при помощи специального интерфейса «мозг — компьютер», задействовав остаточную сенсорную сигнализацию от его собственной руки. Как сообщается в исследовании, опубликованном в журнале Cell, ученые перенаправили сигналы от мозга к мышце, минуя спинной мозг.

Айэн Буркхарт уже несколько лет сотрудничает с командой из проекта NeuroLife: тяжелую травму спинного мозга он получил в 2010 году, в результате несчастного случая, который произошел с ним во время дайвинга. При помощи технологии, которая усиливает слабые сигналы от выживших нервных клеток кожи к мозгу, где они обрабатываются и отправляются обратно в виде искусственных тактильных сигналов — подобно вибрации мобильного телефона, — парализованный сможет вновь ощущать, какую силу захвата нужно применять при обращении с хрупким или тяжелом предметом либо при поднятии чего-либо.

Само носимое устройство похоже на рукав с системой электродов, закрепленных на коже. Кроме того, в кору мозга пациента встроили специальный чип. Теперь Айэн может ощущать свое прикосновение, чувствовать хватку руки и поднимать кружку с кофе или даже играть в Guitar Hero.

Айэн Буркхарт в лаборатории NeuroLife / © NeuroLife Пациент носит подобие рукава с множеством встроенных электродов / © NeuroLife

«Раньше Айэн ощущал свою руку как чужую — из-за отсутствия сенсорной обратной связи. Также были проблемы с контролированием руки, если он пристально не наблюдал за ее движениями. Это требует большой концентрации и делает почти невозможной простую многозадачность: например, пить газировку во время просмотра телевизора», — рассказал Патрик Гэнцер, один из разработчиков.

Теперь Айэн может играть в Guitar Hero — и осознавать это / © NeuroLife

По словам Гэнцера, у таких пациентов с полной травмой спинного мозга, как Айэн, почти всегда сохраняются пучки нервных волокон. Это позволяет им повышать сигналы до уровня, на котором мозг будет реагировать, а сигналы будут искусственно отправляться обратно с использованием тактильной связи.

Читать еще:  Особый ребенок и собаки. Репортаж из центра канис-терапии

«Было удивительно получить сенсорную информацию, исходящую от устройства, которое изначально создавалось для того, чтобы я мог контролировать свою руку только в одном направлении», — сказал сам Буркхарт.

Сейчас исследователи разрабатывают «киберрукав» следующего поколения, который можно было бы легко надевать и снимать в домашних условиях. Кроме того, они трудятся над созданием портативных небольших устройств, которыми было бы легко управлять при помощи планшета.

Нейроинтерфейс помог вернуть чувство осязания пациенту с травмой спинного мозга

Благодаря интерфейсу «мозг — компьютер» ученые смогли вернуть парализованному человеку моторную функцию и чувство осязания, используя остаточную сенсорную сигнализацию от его собственной руки.

Нейрофизиологам из Мемориального института Баттеля (США) и Векснерского медицинского центра при Университете штата Огайо впервые удалось восстановить чувство осязания и моторную функцию у парализованного 28-летнего пациента при помощи специального интерфейса «мозг — компьютер», задействовав остаточную сенсорную сигнализацию от его собственной руки. Как сообщается в исследовании, опубликованном в журнале Cell, ученые перенаправили сигналы от мозга к мышце, минуя спинной мозг.

Айэн Буркхарт уже несколько лет сотрудничает с командой из проекта NeuroLife: тяжелую травму спинного мозга он получил в 2010 году, в результате несчастного случая, который произошел с ним во время дайвинга. При помощи технологии, которая усиливает слабые сигналы от выживших нервных клеток кожи к мозгу, где они обрабатываются и отправляются обратно в виде искусственных тактильных сигналов — подобно вибрации мобильного телефона, — парализованный сможет вновь ощущать, какую силу захвата нужно применять при обращении с хрупким или тяжелом предметом либо при поднятии чего-либо.

Само носимое устройство похоже на рукав с системой электродов, закрепленных на коже. Кроме того, в кору мозга пациента встроили специальный чип. Теперь Айэн может ощущать свое прикосновение, чувствовать хватку руки и поднимать кружку с кофе или даже играть в Guitar Hero.

Айэн Буркхарт в лаборатории NeuroLife / © NeuroLife Пациент носит подобие рукава с множеством встроенных электродов / © NeuroLife

«Раньше Айэн ощущал свою руку как чужую — из-за отсутствия сенсорной обратной связи. Также были проблемы с контролированием руки, если он пристально не наблюдал за ее движениями. Это требует большой концентрации и делает почти невозможной простую многозадачность: например, пить газировку во время просмотра телевизора», — рассказал Патрик Гэнцер, один из разработчиков.

Теперь Айэн может играть в Guitar Hero — и осознавать это / © NeuroLife

По словам Гэнцера, у таких пациентов с полной травмой спинного мозга, как Айэн, почти всегда сохраняются пучки нервных волокон. Это позволяет им повышать сигналы до уровня, на котором мозг будет реагировать, а сигналы будут искусственно отправляться обратно с использованием тактильной связи.

«Было удивительно получить сенсорную информацию, исходящую от устройства, которое изначально создавалось для того, чтобы я мог контролировать свою руку только в одном направлении», — сказал сам Буркхарт.

Сейчас исследователи разрабатывают «киберрукав» следующего поколения, который можно было бы легко надевать и снимать в домашних условиях. Кроме того, они трудятся над созданием портативных небольших устройств, которыми было бы легко управлять при помощи планшета.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector