Дата публикации: 24.05.2021
Мозговые импланты
как следующая ступень
в протезировании.
Схема интерфейса на примере управляемого мыслями протеза руки, который может использоваться парализованным человеком и может обеспечивать обратную связь от прикосновения.
Представьте, что вы можете управлять роботизированной рукой «телепатически». То есть – на расстоянии, используя для этого только свой разум…
Уже неплохо, не так ли? На ум сразу приходят мысли о том, как здорово было бы также управлять другими механизмами. Например – машиной… Вследствие сложности устройства автомобиля сделать это было бы, конечно, весьма непросто, однако перспектива заманчива.
Но научная инженерия шагнула несколько дальше. Американские исследователи создали интерфейс мозг-компьютер, который позволил добровольцу с параличом ниже груди совершить не только это. В журнале Science они рассказали, что теперь пациент может чувствовать, как пальцы его протеза сжимаются на предмете столь же явно, как если бы это были пальцы его собственной руки при полном здоровье.
Этот прорыв знаменует новую веху в жизни людей с ограниченными возможностями как минимум (а как максимум – в производственных и исследовательских отраслях, хотя до этого далеко). Команда обнаружила, что добавление осязания резко повышает качество протезирования, улучшая как функциональность самих устройств, так и, соответственно, возможности парализованных или потерявших конечности пациентов. Им больше не нужно будет так пристально следить за новой рукой, как раньше, когда они полагались только на визуальные подсказки.
«Я первый человек в мире, у которого есть имплантаты в сенсорной коре, которые они могут использовать для прямой стимуляции моего мозга, – рассказывает 34-летний Натан Коупленд – тот самый пациент, которому довелось опробовать на себе управление роботизированной «чувствительной» рукой. – Я чувствую, как будто ощущение исходит от моей настоящей руки».
'Очень круто'
Натан Коупленд стал инвалидом в результате аварии, произошедшей в 2004 году. Он получил тяжёлую травму спинного мозга, лишившую его возможности ходить и управлять своим телом, в том числе и руками.
Он вызвался участвовать в научных исследованиях, для чего перенёс серьёзную операцию шесть лет назад. Тогда ему в мозг были имплантированы два набора крошечных электродов, шириной всего с прядь волос. Сложное миниатюрное решение представляет собой 88 электродов, организованных в «массивы», напоминающие крошечные расчёски. Они проникают глубоко в моторную кору головного мозга, которая управляет движениями.
Один из ведущих авторов исследования, Роб Гонт, доцент кафедры физической медицины и реабилитации Университета Питтсбурга, говорит, что в мире такие имплантаты есть у менее 30 человек. Но наш случай отличается дополнительным набором электродов, подключённых к соматосенсорной коре Коупленда. У этого участка мозга есть уникальная функция – принимать сигналы и обрабатывать их, преобразуя в ощущения.
«Когда мы хватаем предметы, мы очень естественно используем это осязание, чтобы улучшить нашу способность контролировать», – объяснил Гонт.
Созданный исследователями интерфейс является «двунаправленным» – то есть он способен пропускать импульсы как от мозга к руке, так и обратно. Другими словами, он имитирует работу живого нерва, который позволяет мышцам получать инструкции мозга, а мозгу – тактильную информацию от нервных окончаний кожи. Таким же образом команды от мозга поступают на протез, а сенсорная информация с последнего отправляется в мозг, которым и воспринимается как привычные ощущения.
Идея посылки тактильной обратной связи на соматосенсорную кору существует уже несколько десятилетий, но сделать это контролируемым и понятным для мозга способом было непросто.
После проведённой Коупленду операции по установке электродов команда откровенно затаила дыхание. Как шутит сам пациент, «никто не знал, чего ожидать, потому что это было сделано только на обезьянах, а у обезьяны нельзя спросить, на что это похоже». А спросить, наверное, очень хотелось.
Но вот имплантация позади, наступил момент истины – послан первый сигнал касания.
«Это было действительно неясно», – вспоминает Натан. Тогда он попросил учёных попробовать ещё раз, чтобы убедиться, что это действительно так. И на этот раз – «О да, это то, что ты будто чувствуешь, и это было просто супер круто», – говорит он.
Позже он описывает свои впечатления более детально: «Хотя ощущение не естественное – оно похоже на давление и лёгкое покалывание, – меня это никогда не беспокоило. На самом деле не было ни одной точки, где я чувствовал бы, что стимуляция – это то, к чему я должен был бы привыкнуть. Выполнение задачи во время получения стимуляции просто шло вместе, как сэндвич с арахисовым маслом и джемом».
В два раза быстрее
Прежде чем интерфейс можно было заставить работать с роботизированной рукой, учёным пришлось провести большую работу, а Натану Коупленду здорово попотеть.
Во-первых, нужно было правильно настроить взаимодействие мозга и робота. Для этого было тщательно изучено активация каких электродов какие ощущения вызывает, и с какими пальцами эти электроды связаны.
Пациент следил за тем, как на видео движется роботизированная рука – влево или вправо, – а исследователи отмечали какие электроды реагировали, когда его просили представить, будто это он управляет протезом.
Наконец, пришло время попробовать.
Коупленд сел рядом с металлической чёрной роботизированной рукой. Его задачей было переложить несколько небольших камней и сфер в ящик. Сначала – обычным для управляемого мозгом протеза способом – то есть с выключенными тактильными датчиками, а потом – с включёнными.
Результаты оказались впечатляющими: когда датчики были включены, Натан мог выполнять каждую задачу в среднем в два раза быстрее. Продолжительность успешных попыток сократилась со среднего показателя в 20,9 секунды до 10,2! Большая скорость была обусловлена в первую очередь меньшим временем, затрачиваемым на попытки схватить предметы. Более того, ему под силу оказались даже более сложные действия. Например, он сумел взять стакан и перелить его содержимое в другой.
«Это ощущение дало мне уверенность и уверенность в том, что я знаю, что я определенно хорошо ухватился за объект и могу поднять его», – говорит испытатель.
«В некотором смысле это то, на что мы надеялись, но, возможно, не в такой степени, как мы наблюдали, – сказала соавтор исследования Дженнифер Коллингер, доктор философии, доцент кафедры физической медицины и реабилитации Питта. – Сенсорная обратная связь от конечностей и рук чрезвычайно важна для нормального поведения в повседневной жизни, и когда эта обратная связь отсутствует, производительность людей снижается».
Команда на этом не останавливается. Учёные хотятт и дальше развивать технологии протезирования. «Мы не хотим, – говорит Гонт от имени всего коллектива – просто проводить научные эксперименты в лаборатории. Мы действительно хотим создавать устройства, которые будут полезны людям дома».
Когда пандемия COVID, разогнав всех по домам, закрыла университет, мистеру Коупленду было чем себя занять – он настраивал дома свой мозго-компьютерный интерфейс, и использовал неурочное время простоя, чтобы научиться рисовать на планшете и даже играть в видеоигры!
И делал он это усилием мысли, просто посылая сигналы прямо на компьютер вместо того, чтобы нажимать на кнопки рукой.
«Сейчас для меня это просто вторая натура», – восхищается первопроходец.
АРМК, по материаламScience, Medical Xpress иPhys.org