Share Fast Facts
- Kontrolowane przez umysł „ramię” może poruszać poszczególnymi cyframi. – Click to Tweet
- Protezy sterowane umysłem nieco bliżej umożliwienia gry na fortepianie. – Kliknij, aby kliknąć na Tweet
Fizycy i inżynierowie biomedyczni z Johns Hopkins donoszą, co ich zdaniem jest pierwszym udanym wysiłkiem, aby machać palcami indywidualnie i niezależnie od siebie, używając kontrolowanego umysłem sztucznego „ramienia”, aby kontrolować ruch.
Wyczyn proof-of-concept, opisany online w tym tygodniu w Journal of Neural Engineering, stanowi potencjalny postęp w technologiach przywracania wyrafinowanych funkcji ręki do tych, którzy stracili ręce do urazu lub choroby, mówią naukowcy. Młody człowiek, na którym przeprowadzono eksperyment, nie stracił ramienia ani ręki, ale został wyposażony w urządzenie, które zasadniczo skorzystało z procedury mapowania mózgu, aby ominąć kontrolę nad własnym ramieniem i ręką.
„Uważamy, że jest to pierwszy przypadek, kiedy osoba korzystająca z protezy sterowanej umysłem natychmiast wykonała indywidualne ruchy cyfr bez rozległego szkolenia”, mówi starszy autor Nathan Crone, M.D., profesor neurologii w Johns Hopkins University School of Medicine. „Ta technologia wykracza poza dostępne protezy, w których sztuczne cyfry, lub palce, poruszały się jako pojedyncza jednostka, aby wykonać ruch chwytania, jak ten używany do chwytania piłki tenisowej”.
Do eksperymentu, zespół badawczy zatrudnił młodego człowieka z padaczką, który już został zaplanowany do poddania się mapowaniu mózgu w celu określenia pochodzenia jego napadów.
Podczas gdy nagrania mózgu zostały wykonane przy użyciu elektrod chirurgicznie wszczepionych z powodów klinicznych, sygnały kontrolują również modułową protetyczną kończynę opracowaną przez Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa.
Przed podłączeniem protezy badacze zmapowali i wyśledzili konkretne części mózgu pacjenta odpowiedzialne za poruszanie każdym palcem, a następnie zaprogramowali protezę tak, aby poruszała odpowiednim palcem.
Najpierw neurochirurg pacjenta umieścił tablicę 128 czujników elektrod – wszystkie na pojedynczym prostokątnym arkuszu folii wielkości karty kredytowej – w części mózgu mężczyzny, która normalnie kontroluje ruchy dłoni i ramienia. Każdy czujnik zmierzył okrąg tkanki mózgowej o średnicy 1 milimetra.
Program komputerowy opracowany przez zespół Johnsa Hopkinsa kazał mężczyźnie poruszać poszczególnymi palcami na rozkaz i zarejestrował, które części mózgu „zaświeciły się”, gdy każdy czujnik wykrył sygnał elektryczny.
Oprócz zbierania danych na temat części mózgu zaangażowanych w ruchy motoryczne, badacze zmierzyli elektryczną aktywność mózgu zaangażowaną w odczuwanie dotyku. Aby to zrobić, uczestnik został wyposażony w rękawicę z małymi, wibrującymi brzęczykami w opuszkach palców, które wyłączyły się indywidualnie w każdym palcu. Naukowcy zmierzyli powstałą aktywność elektryczną w mózgu dla każdego połączenia finger.
Po motoryczne i sensoryczne dane zostały zebrane, naukowcy zaprogramowali protetyczne ramię, aby przenieść odpowiednie palce w oparciu o to, która część mózgu była aktywna. Badacze włączyli protetyczne ramię, które było podłączone do pacjenta poprzez elektrody mózgowe, i poprosili badanego, aby „myślał” o indywidualnym poruszaniu kciukiem, palcem wskazującym, środkowym, serdecznym i małym. Aktywność elektryczna generowana w mózgu poruszała palcami.
„Elektrody użyte do pomiaru aktywności mózgu w tym badaniu dały nam lepszą rozdzielczość dużego obszaru kory mózgowej niż cokolwiek, czego używaliśmy wcześniej i pozwoliły na bardziej precyzyjne mapowanie przestrzenne w mózgu”, mówi Guy Hotson, student i główny autor badania. „Ta precyzja jest tym, co pozwoliło nam oddzielić kontrolę nad poszczególnymi palcami.”
Wstępnie, kontrolowana przez umysł kończyna miała dokładność na poziomie 76 procent. Gdy badacze połączyli palce serdeczny i wskazujący razem, dokładność wzrosła do 88 procent.
„Część mózgu, która kontroluje palce serdeczny i wskazujący nakładają się na siebie, a większość ludzi porusza tymi dwoma palcami razem,” mówi Crone. „To ma sens, że sprzężenie tych dwóch palców poprawiło dokładność.”
Badacze zauważają, że nie było żadnego wstępnego szkolenia wymaganego dla przedmiotu, aby uzyskać ten poziom kontroli, a cały eksperyment trwał mniej niż dwie godziny.
Crone ostrzega, że zastosowanie tej technologii do tych, którym faktycznie brakuje kończyn, jest jeszcze kilka lat poza zasięgiem i będzie kosztowne, wymagając rozległego mapowania i programowania komputerowego. Według Amputee Coalition, ponad 100 000 osób żyjących w USA ma amputowane ręce lub ramiona i większość z nich mogłaby potencjalnie skorzystać z takiej technologii.
Dodatkowi autorzy badania to David McMullen, Matthew Fifer, William Anderson i Nitish Thakor z Johns Hopkins Medicine oraz Matthew Johannes, Kapil Katyal, Matthew Para, Robert Armiger i Brock Wester z Johns Hopkins Applied Physics Laboratory.
Badanie to zostało sfinansowane przez National Institute of Neurological Disorders and Stroke (numer grantu 1R01NS088606-01).