Пресъздавайки естественото усещане за допир, изследователи помагат на хора с ампутации да се качват и слизат по-бързо по стълби.
Когато някой загуби ръка или крак, той не просто губи способността си да хваща предмети или да ходи – той губи способността си да докосва и усеща заобикалящата го среда. Протезите могат да възстановят част от двигателния контрол, но обикновено не могат да възстановят усещанията. Към днешна дата, обаче, едно предварително проучване, публикувано този месец в сървъра за препринтиране bioRxiv, показва, че чрез имитиране дейността на нервите, устройство, имплантирано в останалата част на крака, помага на хората с ампутации да „усещат“ как ходят, което им позволява да се движат по-бързо и с по-голяма увереност.
„Това е наистина елегантно проучване“, казва Джейкъб Джордж, невроинженер от Университета в Юта, който не е участвал в изследването. Тъй като експериментите преминават от компютърен модел към животински модел и едва накрая към човешки, той казва: „Тази работа е наистина въздействаща, защото е едно от първите изследвания, които са направени по цялостен начин.“
Пациентите с протези често изпитват трудности докато се адаптират. Един от големите проблеми е, че те не могат да контролират с точност устройството, защото не усещат натиска, който оказват върху даден обект. Ампутираните ръце и крака, например, са по-склонни да изпускат или чупят предмети. В резултат на това, някои пациенти отказват да използват такива протези.
През последните няколко години изследователите работят върху протези за крайници, които осигуряват по-естествена сетивна обратна връзка, за да подпомогнат по-доброто управление на устройството и да върнат чувството за контрол над роботизирания крайник. В съществено проучване от 2019 г. Джордж и екипът му показват, че т.нар. биомиметична обратна връзка – сензорна информация, която има за цел да наподобява естествените сигнали, възникващи при допир, позволява на пациент, загубил ръката си, да хваща по-прецизно крехки предмети като яйца и грозде.
Подобни изследвания обаче били ограничени до отделни пациенти. Те, също така, оставили без отговор много въпроси за това как точно тази обратна връзка помага за контрола на моториката и как подобрява използването на протезата.
Затова в новата разработка изследователите използвали компютърен модел, който пресъздава как нервите в стъпалото реагират при различна намеса, като например усещане за натиск. Целта е била да се създадат естествени модели на нервна активност, които биха могли да възникнат при усещане на обект с крака или при ходене.
Учените първо тествали тези модели в експерименти с котки. Те използвали модела, за да подават електрически импулси към периферните нерви в краката на животните, като същевременно записвали активността на невроните в гръбначния мозък, които от своя страна получават информация от тези нерви. Както се и надявали, реакциите на гръбначните неврони при биомиметичната стимулация от модела наподобявали реакциите на котките като при реално докосване – например натриване на лапата на котката с памучен тампон.
За да тестват подхода при хора, изследователите имплантирали устройство в краката на трима души с ампутирани долни крайници. Устройството включвало сензор, който записва информация за налягането от роботизирания крак по време на ходене, и електроди, имплантирани в периферните нерви на крака. Това устройство ефективно долавяло усещанията при ходене и предавало тази информация в нервната система на пациента, за да се опита да имитира усещанията, свързани с ходенето.
За да проверят кой вид стимулация се усеща по-естествено, изследователите прилагали или биомиметичната стимулация от модела, или постоянен поток от електрически импулси. Участниците оценили биомиметичната стимулация като по-естествена. Докато получавали постоянния поток от импулси, „те казвали неща от рода на „Чувствах се така, сякаш кракът ми е включен към електричеството“, което, разбира се, искаме да избегнем“, казва Станиса Распопович, невроинженер в ETH Цюрих и съавтор на изследването.
Пациентите с ампутирани долни крайници изкачали и слизали по стълби по-бързо с биомиметичната стимулация, отколкото с постоянната стимулация, като успявали да изминат около половин обиколка повече от веригата за всяка сесия. Когато ги питали след изпълнението на задачата, участниците отговаряли, че са се чувствали по-уверени когато ходят с естествената стимулация. И накрая, когато изследователите помолили доброволците да спелуват петбуквена дума наобратно, докато ходят, спелуването им било с около 20 % по-точно по време на биомиметичната стимулация. Възможно е това да се дължи на факта, че вниманието е ограничен ресурс и наличието на по-естествено усещане на протезата би могло да отвори съзнанието за други неща, казва Грегъри Кларк, невроинженер в Университета на Юта, който не е участвал в изследването.
Распопович се надява, че неговата група и други ще продължат да усъвършенстват тази технология. Джордж отбелязва, че сегашните протези за ръце могат да се насочат само към няколкостотин от над 10 000 нерва в ръката, което ограничава възможностите им. „Представете си, че сте гениален художник и имате невероятно виждане за нещата, но единственото, с което можете да рисувате, е черна и бяла боя.“
По-задълбоченото разбиране на начина, по който нервната система открива и предава различни аспекти на докосването, би могло да помогне за по-нататъшното усъвършенстване на подобни устройства. Усещанията като натиск, болка и температура, например, биха могли да помогнат на изследователите да създадат сензорно изживяване, което да се доближава повече до реалността, и в крайна сметка, да се усеща идентично със загубения крайник, казва Кларк. „Това е идеята – искаме хората да се чувстват отново цялостни.“
Превод: Петя Апостолова
Източник: https://www.science.org/content/article/nerve-mimicking-device-gives-feeling-prosthetics
