Ilustrace zobrazující soustavu elektrod na mozku subjektu, včetně znázornění, jaká část mozku ovládá jednotlivé prsty.

Kredit: Guy Hotson

Lékaři a biomedicínští inženýři z Univerzity Johnse Hopkinse oznámili, že se podle nich jedná o první úspěšný pokus o samostatné a na sobě nezávislé kroucení prsty pomocí umělé „ruky“ řízené myslí, která tento pohyb ovládá.

Podle vědců představuje proof-of-concept výkon, popsaný tento týden online v časopise Journal of Neural Engineering, potenciální pokrok v technologiích pro obnovení vytříbené funkce rukou těm, kteří o ně přišli kvůli zranění nebo nemoci. Mladý muž, na kterém byl experiment proveden, nepostrádal paži ani ruku, ale byl vybaven zařízením, které v podstatě využilo postup mapování mozku k tomu, aby obešlo ovládání jeho vlastní paže a ruky.

„Domníváme se, že je to poprvé, kdy člověk používající protézu ovládanou myslí okamžitě provedl jednotlivé pohyby číslic bez rozsáhlého tréninku,“ říká hlavní autor Nathan Crone, doktor medicíny, profesor neurologie na Johns Hopkins University School of Medicine. „Tato technologie jde nad rámec dostupných protéz, u nichž se umělé číslice neboli prsty pohybovaly jako jeden celek, aby provedly úchopový pohyb, jaký se používá k uchopení tenisového míčku.“

Pro experiment výzkumný tým získal mladého muže s epilepsií, který již měl podstoupit mapování mozku, aby se zjistil původ jeho záchvatů.

Záznamy mozku byly pořízeny pomocí elektrod chirurgicky implantovaných z klinických důvodů, signály však zároveň ovládají modulární protetickou končetinu vyvinutou v Laboratoři aplikované fyziky Univerzity Johnse Hopkinse.

Před připojením protézy vědci zmapovali a sledovali konkrétní části mozku vyšetřovaného, které jsou zodpovědné za pohyb každého prstu, a poté naprogramovali protézu tak, aby pohybovala odpovídajícím prstem.

Nejprve neurochirurg pacienta umístil na část mužova mozku, která normálně ovládá pohyby ruky a paže, soustavu 128 elektrodových senzorů – všechny na jediné obdélníkové fólii velikosti kreditní karty. Každý senzor měřil kruh mozkové tkáně o průměru 1 milimetr.

Počítačový program, který tým Johnse Hopkinse vyvinul, nechal muže na povel pohybovat jednotlivými prsty a zaznamenával, které části mozku se „rozsvítily“, když každý senzor zaznamenal elektrický signál.

Kromě sběru dat o částech mozku, které se podílejí na motorických pohybech, vědci měřili elektrickou aktivitu mozku, která se podílí na hmatovém vnímání. Za tímto účelem byla zkoumaná osoba vybavena rukavicí s malými vibrujícími bzučáky v konečcích prstů, které se spustily v každém prstu zvlášť. Vědci měřili výslednou elektrickou aktivitu v mozku pro každé spojení prstů.

Po shromáždění motorických a senzorických údajů vědci naprogramovali protetickou ruku tak, aby pohybovala odpovídajícími prsty na základě toho, která část mozku byla aktivní. Výzkumníci zapnuli protetickou ruku, která byla k pacientovi připojena přes mozkové elektrody, a požádali subjekt, aby „přemýšlel“ o individuálním pohybu palce, ukazováčku, prostředníčku, prsteníčku a malíčku. Elektrická aktivita generovaná v mozku pohybovala prsty.

„Elektrody použité k měření mozkové aktivity v této studii nám umožnily lepší rozlišení velké oblasti mozkové kůry než cokoli, co jsme použili dříve, a umožnily přesnější prostorové mapování v mozku,“ říká Guy Hotson, postgraduální student a hlavní autor studie. „Právě tato přesnost nám umožnila oddělit ovládání jednotlivých prstů.“

Počáteční přesnost ovládání končetiny myslí byla 76 procent. Jakmile vědci spojili prsteníček a malíček dohromady, přesnost se zvýšila na 88 procent.

„Část mozku, která ovládá malíček a prsteníček, se překrývá a většina lidí pohybuje oběma prsty společně,“ říká Crone. „Dává smysl, že spojení těchto dvou prstů zlepšilo přesnost.“

Výzkumníci poznamenávají, že k získání této úrovně ovládání nebylo zapotřebí žádného předběžného tréninku a celý experiment trval méně než dvě hodiny.

Crone varuje, že aplikace této technologie pro ty, kterým skutečně chybí končetiny, je ještě několik let vzdálená a bude nákladná, protože vyžaduje rozsáhlé mapování a počítačové programování. Podle organizace Amputee Coalition žije v USA více než 100 000 lidí s amputovanou rukou nebo paží a většina z nich by mohla mít z takové technologie potenciální prospěch.

Dalšími autory studie jsou David McMullen, Matthew Fifer, William Anderson a Nitish Thakor z Johns Hopkins Medicine a Matthew Johannes, Kapil Katyal, Matthew Para, Robert Armiger a Brock Wester z Johns Hopkins Applied Physics Laboratory.

Tuto studii financoval National Institute of Neurological Disorders and Stroke (grant číslo 1R01NS088606-01).