На пути создания роботизированный протез способного ощущать прикосновения

Новое исследование, проведенное неврологами в Чикагском университете, показывает, как пациенты с ампутированной рукой могут научиться управлять роботизированным протезом через электроды, имплантированные в головной мозг.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, описывает изменения, происходящие в обоих полушариях мозга, в процессе контроля за протезом ампутированной руки и оставшейся неповрежденной конечности. Результаты показывают, что области в мозге, ответственные за движения рук, способны создавать новые нейронные связи, чтобы научиться управлять роботизированным устройством, даже через несколько лет после ампутации.

«Полученные в ходе исследования данные свидетельствуют о том, что люди, потерявшие руку много лет назад, могут научиться управлять роботизированной конечностью, — говорит Ничо Хатсопулос, профессор Чикагского университета, — но удивительной оказалось не только эта способность, а также те процессы, которые происходили в мозге во время обучения управлением устройством».

Профессор Ничо Хацопулос

Профессор Ничо Хацопулос - автор исследования по роботизированным протезам в своей лаборатории робототехники в Чикагском университете.

Предыдущие эксперименты показали, что парализованные люди могут перемещать роботизированные конечности, манипулируя ими посредством мысли, транслируя её через датчики подключенные к мозгу. В новом исследовании учёные планировали изучить смогут ли эти устройства стать заменой утраченной конечности у пациентов с ампутацией рук.
Эксперимент проводился на трёх макаках-резусах, которые в раннем возрасте получили травмы и ветеринарам пришлось ампутировать руку, чтобы спасти им жизнь. К моменту начала исследований каждая из макак прожила без конечности четыре, девять и десять лет соответственно.

Учёные акцентируют внимание, что ампутации не проводились для целей исследования.

Двум животным электроды имплантировали на полушарие мозга, противоположное по отношению к ампутированной конечности, т. е. левое-правое, правое-левое. Именно оно ранее отвечало за контроль утраченной руки. У третьего животного электроды имплантировали ипсилатерально, т.е на полушарие мозга, со стороны которой находится ампутированную конечность. Эта сторона контролирует неповрежденную руку.

Затем обезьян обучали с помощью поощрений (фрукты) перемещать роботизированную руку с помощью мысли и хватать ею мяч. Ученые зафиксировали активность нейронов, где размещались электроды, создав модель того, какой вид имеют нейронные связи до экспериментов, во время тренировки и после того, как обезьяны освоили новую способность.

Связи между нейронами на контралатеральной стороне — стороне, которая контролировала ампутированную руку, — были незначительны перед тренировкой, вероятно из-за того, что они долгое время не использовались для этой функции. Но по мере обучения эти связи стали более плотными в областях, ответственных как за движения, так и для захвата.

На ипсилатеральной стороне — стороне, которая контролировала неповрежденную руку обезьяны — соединения были плотными в начале экспериментов. Но затем исследователи увидели что-то интересное. По мере того как тренировка прогрессировала: сначала нейронные соединения поредели и практически исчезли, а затем преобразовались в новую, более плотную сеть.

Сравнение плотности нейронной сети между контралатеральной и ипсилатеральной стороне

Сравнение плотности нейронной сети между контралатеральной и ипсилатеральной стороне. Исследования показали показали, что на контралатеральной стороне происходило устойчивое увеличение нейронной сети, вто время как на ипсилатеральной стороне происходило постепенное исчезновение сети, прежде чем началось увеличение её плотности. Каждый узел диаграммы соответствует нейрону (R-охват и G-захват нейронов).

«В последнем случае, это означает, что нейронные соединения исчезают, по мере того как животное пытается научиться новой задаче, потому что они дублировали задачи уже существующих соединений в соседнем полушарии, — говорит профессор Картикеян Баласубраманян, один из авторов исследования, — однако, спустя несколько дней исчезающая сеть начинает перестраиваться в совершенно новую, универсальную, способную контролировать как неповрежденную конечность, так и нейропротезированную».

Команда учёных планирует продолжить свою работу, объединив усилия с исследованиями других групп для оснащения нейропротезированных протезов сенсорной обратной связью о прикосновении и проприоцепции — ощущение положения частей собственного тела относительно друг друга и в пространстве. Подобные усовершенствования позволят в будущем создать протезы, максимально похожие на настоящую руку, способные дать людям по-настоящему реальные естественные ощущения от взаимодействия с окружающим миром.

Источник: MedicalXpress

Министерство здравоохранения РФ
Федеральная служба по надзору в сфере здравоохранения
Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека
Министерство здравоохранения УР
Анкета для оценки качества оказания услуг медицинскими организациями
Электронный портал государственных услуг