Prawdopodobnie możesz wykonać niesamowitą liczbę zadań rękami, nie patrząc na nie. Jeśli jednak założysz rękawiczki tłumiące zmysł dotyku, wiele z tych prostych zadań stanie się frustrujących. Zabierz propriocepcję – zdolność wyczuwania względnej pozycji i ruchu ciała – a możesz nawet złamać przedmiot lub zranić się.
„Większość ludzi nie zdaje sobie sprawy, jak często polegają na dotyku zamiast na wzroku – piszą na klawiaturze, chodzą, piją marną szklankę wody” – powiedział dr Charles Greenspon, neurolog z Uniwersytetu w Chicago. „Jeśli nie możesz czuć, musisz stale uważać na swoją rękę podczas wykonywania jakiejkolwiek czynności, a mimo to istnieje ryzyko rozlania, zmiażdżenia lub upuszczenia przedmiotów”.
Greenspon i jego współpracownicy naukowi opublikowali niedawno artykuły w Nature Biomedical Engineering and Science dokumentujące znaczny postęp w technologii zaprojektowanej z myślą o rozwiązaniu właśnie tego problemu: bezpośrednia, starannie dobrana w czasie stymulacja elektryczna mózgu, która może odtworzyć dotykowe sprzężenie zwrotne, aby nadać protezowym dłoniom zróżnicowane „czucie” .
Nauka przywracania czucia
Te nowe badania opierają się na wieloletniej współpracy naukowców i inżynierów z UChicago, Uniwersytetu w Pittsburghu, Northwestern University, Case Western Reserve University i Blackrock Neurotech. Wspólnie projektują, budują, wdrażają i udoskonalają interfejsy mózg-komputer (BCI) oraz roboty protetyczne ramion, których celem jest przywrócenie zarówno kontroli motorycznej, jak i czucia u osób, które utraciły znaczną funkcję kończyn.
Po stronie UChicago badaniami kierował dr Sliman Bensmaia, neurobiolog, aż do jego nieoczekiwanej śmierci w 2023 r.
Podejście badaczy do czucia protetycznego polega na umieszczeniu maleńkich układów elektrod w częściach mózgu odpowiedzialnych za poruszanie się i czucie ręki. Z jednej strony uczestnik może poruszyć robotycznym ramieniem, po prostu myśląc o ruchu, a z drugiej strony czujniki na tej robotycznej kończynie mogą wyzwalać impulsy aktywności elektrycznej zwane mikrostymulacją wewnątrzkorową (ICMS) w części mózgu odpowiedzialnej za dotyk.
Greenspon wyjaśnił, że przez około dziesięć lat ta stymulacja ośrodka dotykowego mogła zapewniać jedynie proste poczucie kontaktu w różnych miejscach dłoni.
„Mogliśmy wywołać wrażenie, że czegoś dotykamy, ale był to głównie sygnał włączenia/wyłączenia i często był dość słaby i trudno było określić, gdzie nastąpił kontakt z ręką” – powiedział.
Nowo opublikowane wyniki stanowią ważne kamienie milowe w pokonaniu tych ograniczeń.
Pogłębianie wiedzy na temat sztucznego dotyku
W pierwszym badaniu, opublikowanym w Nature Biomedical Engineering, Greenspon i jego współpracownicy skupili się na zapewnieniu, że wywołane elektrycznie wrażenia dotykowe są stabilne, dokładnie zlokalizowane i wystarczająco silne, aby były przydatne w codziennych zadaniach.
Dostarczając krótkie impulsy do poszczególnych elektrod w ośrodkach dotyku uczestników i prosząc ich o raportowanie, gdzie i jak silnie odczuwali każde doznanie, badacze stworzyli szczegółowe „mapy” obszarów mózgu odpowiadających konkretnym częściom dłoni. Testy wykazały, że po wspólnej stymulacji dwóch blisko rozmieszczonych elektrod uczestnicy odczuwają silniejszy, wyraźniejszy dotyk, co może poprawić ich zdolność lokalizowania i pomiaru nacisku na właściwą część dłoni.
Naukowcy przeprowadzili również wyczerpujące testy, aby potwierdzić, że ta sama elektroda konsekwentnie wywołuje wrażenie odpowiadające określonemu miejscu.
„Jeśli pobudzę elektrodę pierwszego dnia, a uczestnik poczuje ją na kciuku, możemy przetestować tę samą elektrodę 100., 1000., a nawet wiele lat później, a on nadal poczuje ją mniej więcej w tym samym miejscu” – powiedział Greenspon , który był głównym autorem tej pracy.
Z praktycznego punktu widzenia każde urządzenie kliniczne musiałoby być na tyle stabilne, aby pacjent mógł na nim polegać w życiu codziennym. Elektroda, która stale zmienia swoje „miejsce dotyku” lub wytwarza niespójne wrażenia, byłaby frustrująca i wymagałaby częstej ponownej kalibracji. Z kolei długoterminowa spójność, jaką wykazało to badanie, może pozwolić użytkownikom protez nabrać pewności w zakresie kontroli motorycznej i zmysłu dotyku, podobnie jak w przypadku ich naturalnych kończyn.
Dodawanie wrażeń ruchu i kształtów
W uzupełniającym artykule Science posunięto się o krok dalej, aby sztuczny dotyk był jeszcze bardziej wciągający i intuicyjny. Projektem kierował pierwszy autor, dr Giacomo Valle, były pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie w Chicago, który obecnie kontynuuje badania w dziedzinie bioniki na Uniwersytecie Technologicznym Chalmers w Szwecji.
„Dwie elektrody znajdujące się obok siebie w mózgu nie wytwarzają wrażeń, które „układają” dłoń w schludne, małe plamki z korespondencją jeden do jednego; zamiast tego lokalizacje zmysłów nakładają się na siebie” – wyjaśnił Greenspon, który jest współautorem tego badania papier z Bensmaią.
Naukowcy postanowili sprawdzić, czy mogliby wykorzystać tę nakładającą się naturę do stworzenia wrażeń, które pozwoliłyby użytkownikom poczuć granice obiektu lub ruch czegoś przesuwającego się po ich skórze. Po zidentyfikowaniu par lub skupisk elektrod, których „strefy dotyku” nakładały się na siebie, naukowcy aktywowali je według starannie zaplanowanych wzorów, aby wygenerować wrażenia postępujące na mapie sensorycznej.
Uczestnicy opisali uczucie delikatnego, przesuwającego się dotyku po palcach, mimo że bodziec był dostarczany małymi, dyskretnymi krokami. Naukowcy przypisują ten wynik niezwykłej zdolności mózgu do łączenia bodźców zmysłowych i interpretowania ich jako spójnych, poruszających doświadczeń poprzez „wypełnianie” luk w percepcji.
Zastosowanie elektrod aktywujących sekwencyjnie znacznie poprawiło także zdolność uczestników do rozróżniania złożonych kształtów dotykowych i reagowania na zmiany w dotykanych przedmiotach. Czasami potrafili zidentyfikować litery alfabetu elektrycznie „narysowane” na opuszkach palców i mogli użyć bionicznego ramienia, aby utrzymać kierownicę, gdy zaczęła ona wyślizgiwać się z dłoni.
Udoskonalenia te pomagają zbliżyć bioniczne sprzężenie zwrotne do precyzyjnych, złożonych i adaptacyjnych zdolności naturalnego dotyku, torując drogę protetyce, która umożliwia pewne obchodzenie się z przedmiotami codziennego użytku i reagowanie na zmieniające się bodźce.
Przyszłość neuroprotetyki
Naukowcy mają nadzieję, że w miarę ciągłego ulepszania konstrukcji elektrod i metod chirurgicznych zasięg na dłoni stanie się jeszcze dokładniejszy, co umożliwi uzyskanie bardziej realistycznych informacji zwrotnych.
„Mamy nadzieję zintegrować wyniki tych dwóch badań z naszymi systemami robotycznymi, gdzie już wykazaliśmy, że nawet proste strategie stymulacji mogą poprawić zdolność ludzi do kontrolowania ramion robotów za pomocą mózgu” – powiedział współautor dr Robert Gaunt, profesor nadzwyczajny medycyny fizykalnej i rehabilitacji oraz kierownik prac stymulacyjnych na Uniwersytecie w Pittsburghu.
Greenspon podkreślił, że motywacją stojącą za tą pracą jest zwiększenie niezależności i jakości życia osób cierpiących na utratę kończyn lub paraliż.
„Wszyscy troszczymy się o ludzi, którzy odnieśli kontuzję i utracili władzę w kończynie. To badanie jest dla nich” – powiedział. „W ten sposób przywracamy ludziom dotyk. Jest to awangarda neurotechnologii regeneracyjnej i pracujemy nad rozszerzeniem tego podejścia na inne obszary mózgu”.
Podejście to jest również obiecujące w przypadku osób z innymi rodzajami utraty czucia. Grupa współpracowała także z chirurgami i położnikami z UChicago przy projekcie Bionic Breast Project, którego celem jest wyprodukowanie wszczepialnego urządzenia, które może przywrócić zmysł dotyku po mastektomii.
Chociaż pozostaje wiele wyzwań, najnowsze badania dostarczają dowodów na to, że droga do przywrócenia dotyku staje się coraz wyraźniejsza. Z każdym nowym zestawem odkryć badacze zbliżają się do przyszłości, w której protetyczna część ciała będzie nie tylko narzędziem funkcjonalnym, ale także sposobem na doświadczanie świata.