Sztuczna ręka, sztuczne czucie?

Neuroprotezy to sztuczne kończyny lub inne elementy ciała, które przywracają utracone funkcje dzięki implantom umieszczonym w mózgu. W 2020 roku nastąpił przełom w terapii uszkodzeń rdzenia kręgowego, który umożliwił osobie w pełni sparaliżowanej korzystanie z dłoni. W 2021 roku naukowcom udało się zastosować te odkrycia do konstrukcji sztucznego ramienia. Trwają prace nad konstrukcją sztucznych, acz w pełni funkcjonalnych narządów wewnętrznych i zmysłowych, w tym oka. Czyżby nadchodziła era cyborgów?

Jednym z głównych celów neurotechnologii jest przywrócenie utraconych funkcji ciała dzięki fuzji maszyny i mózgu. Badania nad neuroprotezami należą do najlepiej finansowanych – także przez fundusze wojskowe. Dzięki temu postęp w pracach naukowych jest wręcz oszałamiająco szybki. W 2020 roku zespół naukowców z Battelle w Ohio odkrył jak przywrócić czucie tetraplegikowi, czyli osobie cierpiącej na paraliż czterokończynowy. W maju 2021 ich koledzy z Pittsburgha przełożyli to odkrycie na konstrukcję protezy sterowanej wyłącznie za pomocą sygnałów płynących z mózgu. Brzmi niewyobrażalnie? Sprawdźmy jak udało im się to osiągnąć.

Sztuczne czucie

W badaniach zespołu z Ohio bierze udział Ian Burkhart, 28-latek, który podczas nurkowania doznał poważnego uszkodzenia rdzenia kręgowego. Wskutek tego od ponad 10 lat jest w pełni sparaliżowany. Nie poddał się jednak i w 2014 roku zgłosił się do projektu o nazwie NeuroLife, w ramach którego badacze pracują nad przywróceniem funkcji bezwładnym kończynom. W 2020 roku, po 6 latach prób i błędów, Ian ponownie poczuł swoją prawą rękę. Jak do tego doszło?

Naukowcy zaczęli od przywrócenia funkcji motorycznych, czyli zdolności poruszania dłonią. W tym celu stworzyli urządzenie złożone z systemu elektrod wbudowanych w “rękawice”, które stymulują mięśnie ramienia. Elektrodami steruje miniaturowy chip komputerowy wszczepiony w korę motoryczną mózgu. Dzięki temu sygnały z kory mózgu docierają (przy pomocy kabli) do mięśni ramienia, omijając uszkodzony rdzeń kręgowy. W rezultacie Ian odzyskał kontrolę nad swoją ręką w stopniu umożliwiającym podniesienie kubka z kawą, użycie karty kredytowej lub zagranie w grę komputerową.

Pomimo to Ian często miał wrażenie, że jego ręka jest “obca”. Choć dotykał nią przedmiotów, nie czuł ich cech: ciężaru, faktury powierzchni, temperatury. Brak wrażeń sensorycznych utrudniał również kontrolę nad ramieniem. Okazało się, że Ian mógł poruszać ręką wyłącznie wtedy, gdy uważnie obserwował jej ruchy. Wymagało to sporej koncentracji i praktycznie uniemożliwiało jednoczesne wykonywanie dwóch prostych czynności – np. picia kawy i czytania gazety.

Dlatego kolejnym celem naukowców stało się przywrócenie Ianowi zmysłu dotyku. Podczas serii badań odkryli oni, że stymulacja skóry dłoni Iana wywołuje odpowiedź receptorów dotyku, a wytwarzane w ten sposób impulsy nerwowe wciąż są przewodzone do kory sensorycznej mózgu! Jednakże sygnał, który tam dociera, jest tak słaby, że mózg praktycznie go nie dostrzega – przez co Ian nie może poczuć dotyku. Większość sygnału blokowana jest przez uszkodzenie rdzenia kręgowego. Najwyraźniej jednak jakaś wiązka aksonów pozostaje nienaruszona i wciąż pełni swoją funkcję.

Właśnie ten fakt postanowili wykorzystać naukowcy. Ich pomysł polegał na wzmocnieniu tych niewyczuwalnych sygnałów tak, aby mózg mógł je zarejestrować. Dokonali tego przy użyciu tzw. feedbacku haptycznego. Proste przykłady tego rodzaju feedbacku to wibracja telefonu sygnalizująca otrzymanie wiadomości lub wibracja kontrolera do gry, która daje znać użytkownikowi, że może zaczynać rozgrywkę. System opracowany przez naukowców wykorzystuje feedback haptyczny, by przesłać do mózgu Iana informacje o napływających bodźcach dotykowych. Innymi słowy Ian czuje dotyk w formie wibracji. Dzieje się to dzięki elektrodom sprzężonym z chipem wszczepionym do kory sensorycznej mózgu.

Pomysł okazał się strzałem w dziesiątkę. Ian może skutecznie rozpoznawać obiekty wyłącznie za pomocą dotyku, a więc wrażenia wibracyjne trafnie symulują “standardowe” czucie. Ponadto może odczuwać bodźce z ramienia, jednocześnie poruszając nim. Dzięki temu zniknęło wrażenie “obcej” ręki, wzrosła precyzja kontroli ruchu oraz prędkość wykonywania standardowych czynności. Wreszcie, dzięki przywróceniu wrażeń dotykowych, Ian wie jakiej siły używać do manipulacji obiektami – inaczej podniesie pusty plastikowy kubek, a inaczej kubek wypełniony kawą.

Te ogromne osiągnięcia są ukoronowaniem 6 lat wytężonej pracy – tak naukowców, jak i Iana. Niemniej jednak ich wysiłki nie ustają. System, który opracowali na razie może działać wyłącznie w laboratorium. Zatem kolejnym celem jest stworzenie “rękawa” naszpikowanego elektrodami i kontrolowanego za pomocą aplikacji mobilnej. Dzięki niemu Ian będzie mógł znów na co dzień cieszyć się pełną kontrolą sensomotoryczną. W przyszłości te urządzenia będą więc mniejsze, bardziej dostępne, a ich działanie obejmie także kończyny dolne. Być może już niedługo osoby poruszające się na wózkach inwalidzkich staną na nogi.

Sztuczna ręka

Te odkrycia niosą również nadzieję wszystkim osobom, które utraciły kończyny i musiały zastąpić je protezami. W maju 2021 zespół naukowców z Pittsburgha stworzył pierwszą neuroprotezę, która pozwala nie tylko na ruch dłoni, lecz również na jej czucie. Jeśli myślicie teraz o Luku Skywalkerze* to Wasze skojarzenie jest całkiem uzasadnione, choć to jeszcze nie ten poziom intuicyjności.

Uczestnik badań, Nathan Copeland, stracił obie ręce w wyniku wypadku samochodowego. Nie mając wiele do stracenia, zgłosił się do udziału w testach klinicznych neuroprotezy. Obecnie posiada mikroskopijne elektrody, wszczepione nie tylko w korę motoryczną mózgu, lecz również w korę sensoryczną. Te podzespoły umożliwiają mu kontrolę protezy za pomocą myśli oraz otrzymywanie napływających z niej sygnałów w formie wrażeń dotykowych. Krótko mówiąc, ta neuroproteza do pewnego stopnia naśladuje działanie nieuszkodzonych sieci neuronalnych.

Jakie wrażenia odbiera sztuczna ręka? Zdaniem Nathana dotyk nie jest “naturalny”. Przypomina raczej wrażenia związane z naciskiem i delikatnym łaskotaniem. Jednakże w żaden sposób nie przeszkadza to we właściwym odczytywaniu sygnałów dotykowych. I rzeczywiście. Naukowcy przeprowadzili serię testów, w których zadaniem Nathana było przenoszenie obiektów z jednego miejsca na drugie przy użyciu sztucznej ręki. W niektórych próbach wrażenia dotykowe były “włączone” a w innych – “wyłączone”. Następnie naukowcy porównali czas wykonywania zadania w obu przypadkach. Wyniki wskazały, że dostępność informacji dotykowej przyspieszała czynności motoryczne o połowę. Zwiększała zatem intuicyjność obsługi sztucznej dłoni. Być może Nathan póki co nie może kręcić ósemek mieczem świetlnym, lecz niewątpliwie jest na dobrej drodze ku temu.

Neurotechnologia w przyszłości

Opisane badania dotyczą prób klinicznych prototypów urządzeń neurotechnologicznych. Czeka je jeszcze ładnych kilka lat testów, zanim wejdą do masowej produkcji i staną się dostępne dla szerszego grona pacjentów z uszkodzonym rdzeniem kręgowym lub po amputacji kończyn. Bardzo lekko licząc (dokładnych statystyk brak, a wiemy że ta liczba różni się między krajami rozwiniętymi i rozwijającymi się), na jakąś formę paraliżu cierpi co 50 osoba na świecie. Daje nam to około 158 milionów ludzi. Do tego grona co roku dołącza między 250 000 a 500 000 osób. Większość z nich to młodzi ludzie, którzy doznają uszkodzenia rdzenia kręgowego wskutek nieszczęśliwego wypadku. W jego wyniku ich życie ulega całkowitej i – do tej pory – nieodwracalnej transformacji, a zdaniem Światowej Organizacji Zdrowia również znacznemu skróceniu. Do tego należy doliczyć około 60 milionów ludzi, którzy stracili którąś z kończyn. Zatem neurotechnologia – możliwość przywrócenia funkcjonowania ciała – niesie nadzieję na normalność około 200 milionom ludzi na całym świecie. Nawet jeżeli będą nazywani cyborgami.

* Luke Skywalker to główny bohater serii filmów science fiction “Gwiezdne Wojny”, który w wyniku pojedynku na miecze świetlne stracił dłoń. Została ona zastąpiona neuroprotezą przewodzącą informacje sensoryczne oraz umożliwiającą pełną sprawność motoryczną.

Autor:

Natalia Koperska

Źródła:

Collinger J. et al “A brain-computer interface that evokes tactile sensations improves robotic arm control” . Science, 2021

Ganzer P. et al. “Restoring the Sense of Touch Using a Sensorimotor Demultiplexing Neural Interface”. by Cell, 2021



PRZECZYTAJ TEŻ:


Skomentuj

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.