Любовь в протезировании

Ящерицы могут регенерировать после потери хвоста, а крабы могут регенерировать после потери ног, но по сравнению с этими, казалось бы, «примитивными» животными, люди потеряли большую часть способности к регенерации в ходе эволюции. Способность регенерировать конечности у взрослых практически равна нулю, за исключением младенцев, которые могут регенерировать, когда теряют кончики пальцев. В результате может сильно пострадать качество жизни тех, кто потерял конечности в результате несчастного случая или болезни, и поиск биологической замены стал для врачей важным вариантом улучшения жизни людей с ампутированными конечностями.

Еще в Древнем Египте были записи о протезах конечностей. В «Знаке четырех» Конан Дойля также есть описание убийцы, использующего протезы для убийства людей.

Однако такое протезирование обеспечивает простую поддержку, но вряд ли существенно улучшит жизненный опыт инвалида. Хорошее протезирование должно быть способно посылать сигналы в обоих направлениях: с одной стороны, пациент может автономно управлять протезированием; С другой стороны, протез конечности должен иметь возможность посылать ощущения в сенсорную кору головного мозга пациента, как естественная конечность с нервами, давая им осязание.

Предыдущие исследования были сосредоточены на расшифровке кодов мозга, чтобы позволить субъектам (обезьянам и людям) управлять роботизированными руками с помощью своего разума. Но также важно дать протезу смысл. На первый взгляд простой процесс, такой как хватание, включает сложную обратную связь, поскольку мы подсознательно регулируем силу наших пальцев в соответствии с ощущениями наших рук, чтобы мы не соскальзывали и не зажимали их слишком сильно. Раньше пациентам с протезами рук приходилось полагаться на свои глаза, чтобы определять силу предметов. Чтобы делать то, что мы можем делать на лету, требуется много внимания и энергии, но даже в этом случае они часто ломаются.

В 2011 году Университет Дьюка провел серию экспериментов на обезьянах. У них были обезьяны с помощью своего разума, чтобы манипулировать виртуальными роботизированными руками, чтобы захватывать предметы из разных материалов. Виртуальная рука посылала разные сигналы в мозг обезьяны, когда та сталкивалась с разными материалами. После обучения обезьяны смогли правильно выбрать конкретный материал и получить награду за еду. Это не только предварительная демонстрация возможности придания протезам осязания, но также предполагает, что обезьяны могут интегрировать тактильные сигналы, посылаемые мозгом протеза, с сигналами управления двигателем, посылаемыми мозгом в протез, обеспечивая полную диапазон обратной связи от прикосновения до ощущения до выбора управляющего рычага на основе ощущений.

Эксперимент, хотя и хороший, был чисто нейробиологическим и не касался настоящего протеза конечности. А для этого нужно совместить нейробиологию и электротехнику. В январе и феврале этого года два университета в Швейцарии и США независимо друг от друга опубликовали статьи, в которых использовался один и тот же метод прикрепления сенсорных протезов к экспериментальным пациентам.

В феврале ученые из Политехнической школы в Лозанне, Швейцария, и других учреждений сообщили о своих исследованиях в статье, опубликованной в журнале Science Translational Medicine. Они дали 36-летнему испытуемому Деннису Аабо С. Ренсен, с 20 сенсорными участками в руке робота, которые производят различные ощущения.

Весь процесс сложен. Сначала врачи римской больницы Гимили имплантировали электроды в два нерва руки Соренсена, срединный и локтевой нервы. Локтевой нерв управляет мизинцем, а срединный нерв - указательным и большим пальцами. После имплантации электродов врачи искусственно стимулировали срединный и локтевой нервы Соренсена, что дало ему то, чего он не чувствовал долгое время: он почувствовал движение своей отсутствующей руки. А это значит, что с нервной системой Соренсена все в порядке.

Затем ученые из Ecol Polytechnique в Лозанне прикрепили к руке робота датчики, которые могли посылать электрические сигналы в зависимости от условий, таких как давление. Наконец, исследователи соединили роботизированную руку с отрубленной рукой Соренсена. Датчики в руке робота заменяют сенсорные нейроны в руке человека, а электроды, вставленные в нервы, заменяют нервы, которые могут передавать электрические сигналы в потерянной руке.

После настройки и отладки оборудования исследователи провели серию тестов. Чтобы не отвлекаться, Соренсену завязали глаза, закрыли уши и разрешили касаться только рукой робота. Они обнаружили, что Соренсен мог не только судить о твердости и форме предметов, которых он касался, но также различать различные материалы, такие как деревянные предметы и ткань. Более того, манипулятор и мозг Соренсена хорошо скоординированы и отзывчивы. Таким образом, он может быстро изменить свою силу, когда он что-то поднимает, и удерживать ее устойчиво. «Это удивило меня, потому что ВНЕЗАПНО я почувствовал то, чего не чувствовал последние девять лет», - сказал Соренсен в видео, предоставленном Ecole Polytechnique в Лозанне. «Когда я двигал рукой, я мог чувствовать, что делаю, вместо того, чтобы смотреть, что делаю».

Аналогичное исследование было проведено в Университете Кейс Вестерн Резерв в США. Их испытуемым был 48-летний Игорь Спетич из Мэдисона, штат Огайо. Он потерял правую руку, когда на него упал молот при изготовлении алюминиевых деталей для реактивных двигателей.

Методика, используемая исследователями Западного резервного университета Кейса, примерно такая же, как методика, используемая в Политехнической школе ECOLE в Лозанне, с одним важным отличием. Электроды, используемые в Политехнической школе в Лозанне, пронзали нейроны руки Соренсена до аксона; Электроды в университете Кейс Вестерн Резерв не проникают в нейрон, а окружают его поверхность. Первые могут давать более точные сигналы, вызывая у пациентов более сложные и тонкие ощущения.

Но при этом есть потенциальные риски как для электродов, так и для нейронов. Некоторые ученые опасаются, что инвазивные электроды могут вызвать хронические побочные эффекты на нейроны и что электроды будут менее прочными. Однако исследователи обоих институтов уверены, что смогут преодолеть недостатки своего подхода. Spiderdick также дает довольно точное ощущение отделения от наждачной бумаги, ватных шариков и волос. Однако исследователи из Политехнической школы в Лозанне заявили, что они уверены в долговечности и стабильности своего инвазивного электрода, который длился от девяти до 12 месяцев у крыс.

Тем не менее, пока еще рано выпускать это исследование на рынок. Помимо прочности и безопасности, удобства сенсорного протезирования еще далеко не достаточно. Соренсон и Спекдик остались в лаборатории, пока устанавливали протезы. Их руки с множеством проводов и гаджетов совсем не похожи на бионические конечности из научной фантастики. Сильвестро Мицера, профессор Политехнической школы в Лозанне, который работал над исследованием, сказал, что пройдет несколько лет, прежде чем первые сенсорные протезы, которые выглядят так же, как обычные, смогут покинуть лабораторию.

«Я очень рад видеть, что они делают. Я надеюсь, что это поможет другим. Я знаю, что наука требует много времени. Если я не могу использовать ее сейчас, а следующий человек может, это здорово».

news

Время публикации: 14 августа-2021