Naukowcy z University of Michigan opracowali niezwykle precyzyjną protezę ręki, tak sprawną, że za jej pomocą można zapinać guziki koszuli. Prace uczonych zapowiadają nową generację kontrolowanych umysłem protez i dają osobom po amputacji możliwość lepszego operowania bionicznymi kończynami.
Osoba sprawna fizycznie wykonuje swoje codzienne czynności bez wysiłku i bez zastanowienia nad siecią nerwów potrzebnych do poruszania kciukami, palcami lub dłońmi. Sposób opracowany przez badaczy z University of Michigan pozwala nadal korzystać z tej błogiej nieświadomości, nawet, gdy ktoś stracił kończynę. Wystarczy algorytm uczenia się i trochę przeszczepionych mięśni.
Nowa technologia opisana w artykule opublikowanym na łamach pisma „Science Translational Medicine” wydaje się być bardziej skuteczna niż poprzednie próby połączenia aktywności mózgu z ruchem kończyny protetycznej. Naukowcy osiągnęli to dzięki nowej procedurze, która pozwala to na wzmocnienie sygnałów nerwowych i lepszą komunikację z bioniczną ręką.
Nowy sposób polega na rozdzieleniu wiązek nerwowych na mniejsze włókna, które umożliwiają bardziej precyzyjną kontrolę i wzmocnieniu sygnałów przechodzących przez nerwy. Podejście to obejmuje przeszczep niewielkiego kawałka mięśni uda i zastosowaniu algorytmów uczenia maszynowego zapożyczonych z interfejsów mózg-komputer. Działa jak megafon dla odciętych nerwów, umożliwiając uczestnikom wykonywanie precyzyjnych ruchów, takich jak podniesienie małego przedmiotu lub przesunięcie zamka błyskawicznego.
- To największy postęp w dziedzinie kontroli motorycznej u osób po amputacji od wielu lat - powiedział Paul Cederna, jeden z autorów publikacji. - Opracowaliśmy technikę umożliwiającą precyzyjne i intuicyjne sterowanie palcami urządzeń protetycznych za pomocą pozostałych w kończynie pacjenta nerwów. Dzięki temu byliśmy w stanie zapewnić najbardziej zaawansowaną kontrolę protetyczną, jaką widział świat – dodał.
Jak przyznali naukowcy, kontrola protezy jest intuicyjna i nie wymaga uczenia się. - Działa od razu. Możesz zmusić protetyczną rękę do robienia wielu rzeczy, ale to nie znaczy, że osoba intuicyjnie ją kontroluje. Różnica polega na tym, że już przy pierwszej próbie działa tylko na samą myśl o tym i takie jest nasze podejście – powiedziała Cindy Chestek, współautorka badań. - Nasz podejście zadziałało już przy pierwszej próbie. Uczestnicy eksperymentów nie musieli się uczyć. Cała nauka odbywa się w naszych algorytmach. Tym różnimy się od innych podejść - zaznaczyła.
Joe Hamilton, który stracił rękę w wypadku z fajerwerkami w 2013 roku przyznał, że technika oferowana przez uczonych z University of Michigan sprawia, że czuł się, jakby znowu miał rękę. - Za pomocą tej ręki można zrobić wszystko, co w przypadku prawdziwej ręki. To przywraca poczucie normalności – podkreślił Hamilton.
Jedną z największych przeszkód w kontrolowanej przez umysł protetyce jest uzyskanie silnego i stabilnego sygnału nerwowego, aby „nakarmić” bioniczną kończynę. Niektóre grupy badawcze kierują się do podstawowego źródła - mózgu. Jest to konieczne podczas pracy z osobami sparaliżowanymi. Ale z drugiej strony jest inwazyjne i obarczone wysokim ryzykiem.
Zespół Michigan wymyślił całkiem inny sposób. Pobrane z uda mięśnie owinęli wokół zakończeń nerwowych w ramionach uczestników eksperymentu. W ten sposób uszkodzone nerwy otrzymały nową tkankę, do której mogły się przyczepić. Naukowcy zaznaczyli, że taki zabieg zapobiega powstawaniu nerwiaków oraz daje nerwom wspomniany już megafon, czyli wzmacnia sygnały nerwowe.
Podczas doświadczeń dwóch pacjentów miało wszczepione elektrody do przeszczepów mięśniowych, a te były w stanie zarejestrować sygnały nerwowe i przekazać je protetycznej kończynie w czasie rzeczywistym. - W tym przypadku mięsień działa jak wzmacniacz biologiczny i powoduje, że napięcie jest 10–100 razy wyższe. Myślę, że można bezpiecznie powiedzieć, że są to największe sygnały nerwowe zarejestrowane do tej pory u człowieka - powiedziała Chestek.
- Przy pomocy innych podejść można uzyskać 5 czy nawet 50 mikrowoltów. Korzystając z biologicznego wzmacniacza widzieliśmy pierwsze sygnały miliwoltowe. Otwiera to zupełnie nowy możliwości dla osób korzystających z protezy kończyny górnej – dodała. A to oznacza dokładniejsze ruchy.
Zespół naukowców przyznał, że obecne rezultaty są wynikiem 12 lat pracy. Odkrycie, jak wzmacniać sygnały nerwowe będzie miało daleko idące konsekwencje dla protetyki. - Mamy nadzieję, że pewnego dnia stanie się to powszechnie dostępne. Ta technika ma zastosowanie w zasadzie do każdej amputowanej części ciała – podkreśliła.
Źródło: University of Michigan, fot. Evan Dougherty/University of Michigan Engineering
