Dela snabba fakta
- Sinnesstyrd ”arm” kan flytta enskilda fingrar. – Klicka för att twittra
- Sinneskontrollerade proteser är något närmare att möjliggöra pianospel. – Click to Tweet
Fysiker och biomedicinska ingenjörer från Johns Hopkins rapporterar vad de tror är det första lyckade försöket att vifta med fingrarna individuellt och oberoende av varandra med hjälp av en tankekontrollerad artificiell ”arm” för att styra rörelsen.
Det bevisade konceptet, som beskrivs online denna vecka i Journal of Neural Engineering, är ett potentiellt framsteg inom tekniken för att återställa en förfinad handfunktion för dem som förlorat armar på grund av skada eller sjukdom, säger forskarna. Den unge man som försöket utfördes på saknade inte en arm eller hand, men han var utrustad med en anordning som i huvudsak utnyttjade en hjärnmappningsprocedur för att kringgå kontrollen över sin egen arm och hand.
”Vi tror att detta är första gången som en person som använder en hjärnstyrd protes omedelbart har utfört enskilda fingerrörelser utan omfattande träning”, säger huvudförfattaren Nathan Crone, doktor i medicin, professor i neurologi vid Johns Hopkins University School of Medicine. ”Den här tekniken går längre än tillgängliga proteser, där de konstgjorda fingrarna rörde sig som en enda enhet för att göra en grepprörelse, som den som används för att greppa en tennisboll.”
För experimentet rekryterade forskargruppen en ung man med epilepsi som redan skulle genomgå en hjärnmappning för att kartlägga ursprunget till hans anfall.
Härinneinspelningarna gjordes med hjälp av elektroder som opererats in av kliniska skäl, men signalerna styr också en modulär protes som utvecklats av Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory.
För att ansluta protesen kartlade och spårade forskarna de specifika delar av försökspersonens hjärna som ansvarar för att röra varje finger, och programmerade sedan protesen så att den rörde motsvarande finger.
För det första placerade patientens neurokirurg en rad med 128 elektrodsensorer – alla på ett enda rektangulärt filmskikt som är lika stort som ett kreditkort – på den del av mannens hjärna som normalt styr hand- och armrörelser. Varje sensor mätte en cirkel av hjärnvävnad med en millimeters diameter.
Det datorprogram som Johns Hopkins-teamet utvecklade lät mannen röra enskilda fingrar på kommando och registrerade vilka delar av hjärnan som ”lyste upp” när varje sensor upptäckte en elektrisk signal.
Förutom att samla in data om de delar av hjärnan som är involverade i motoriska rörelser mätte forskarna elektrisk hjärnaktivitet som är involverad i taktil känsla. För att göra detta utrustades försökspersonen med en handske med små, vibrerande surrare i fingertopparna, som utlöstes individuellt i varje finger. Forskarna mätte den resulterande elektriska aktiviteten i hjärnan för varje fingeranslutning.
När de motoriska och sensoriska uppgifterna hade samlats in programmerade forskarna armprotesen så att den rörde motsvarande fingrar baserat på vilken del av hjärnan som var aktiv. Forskarna satte igång armprotesen, som var kopplad till patienten via hjärnelektroderna, och bad försökspersonen att ”tänka” på att individuellt röra tummen, pekfingret, långfingret, långfingret, ringfingret och lillfingret. Den elektriska aktivitet som genererades i hjärnan rörde fingrarna.
”De elektroder som användes för att mäta hjärnaktiviteten i den här studien gav oss en bättre upplösning av en stor region av hjärnbarken än vad vi har använt tidigare och möjliggjorde en mer exakt rumslig kartläggning i hjärnan”, säger Guy Hotson, doktorand och huvudförfattare till studien. ”Den här precisionen var det som gjorde att vi kunde separera kontrollen av enskilda fingrar.”
Inledningsvis hade den tankekontrollerade lemmen en noggrannhet på 76 procent. När forskarna kopplade ihop ring- och lillfingret ökade noggrannheten till 88 procent.
”Den del av hjärnan som styr lill- och ringfingret överlappar varandra, och de flesta människor rör de två fingrarna tillsammans”, säger Crone. ”Det är logiskt att kopplingen av dessa två fingrar förbättrade noggrannheten.”
Forskarna påpekar att det inte krävdes någon förträning för att försökspersonen skulle få denna kontrollnivå, och att hela experimentet tog mindre än två timmar.
Crone varnar för att det fortfarande dröjer några år innan den här tekniken kan tillämpas på de personer som faktiskt saknar lemmar, och att det kommer att bli kostsamt, eftersom det kommer att krävas omfattande kartläggningar och dataprogrammering. Enligt Amputee Coalition har över 100 000 personer i USA amputerade händer eller armar, och de flesta skulle kunna dra nytta av sådan teknik.
Att ytterligare författare till studien är David McMullen, Matthew Fifer, William Anderson och Nitish Thakor från Johns Hopkins Medicine och Matthew Johannes, Kapil Katyal, Matthew Para, Robert Armiger och Brock Wester från Johns Hopkins Applied Physics Laboratory.
Studien har finansierats av National Institute of Neurological Disorders and Stroke (bidragsnummer 1R01NS088606-01).