И чувствовать спешит
Протез кисти научили на ощупь определять размер и текстуру предметов
Современный протез должен быть не только технологичным, но и красивым
Вот тебе твоя рука
Выглядит это странно. Как в наивной фантастике середины прошлого века о технологиях будущего. Мужчина с завязанными глазами сидит за столом, положив культю левой руки на колени. Кисть – искусственная кисть – вовсе не надета на культю, а стоит на столе отдельно. Второй человек – это исследователь – поочередно вкладывает в кисть цилиндры разной толщины, после чего кисть по его же, исследователя, сигналу сжимается. Задача мужчины с завязанными глазами – угадать толщину цилиндра. Как? От кисти тянутся к культе какие-то проводки...Протез стоит отдельно не просто так, объясняет мне исследователь. Испытуемому надо сосредоточиться. Если он сам будет орудовать искусственной кистью, внимание распылится. А так оно полностью поглощено электрическими импульсами, которые бегут от датчиков на кисти к его нервным окончаниям. Металлический провод соединяется с живым нервом – интерфейс «мозг – компьютер» в действии.
Билет в один конец
С помощью стилуса человек с ампутированной рукой может пользоваться тачскрином, это облегчает обратную связь при экспериментах по очувствлению протезов
Протез конечности или какой-то ее части – вещь, увы, очень актуальная. В России ежегодно выдают примерно 50 тыс. таких протезов. Русфонд участвует в этом процессе, помогая получить протезы детям. В этой сфере мы сотрудничаем с «Моторикой».
Что умеет современный протез руки? Технологии прогрессируют, но все ограничивается связью в одну сторону – от человека к его искусственной конечности. Здесь передний край – бионический протез руки. Он управляется за счет электромиографии – измерения электрического потенциала на коже при работе мышц. Ну или того, что от этих мышц осталось. Электромиография говорит не о работе каждой мышцы в отдельности, а сразу о целой группе. Напряжение сгибателей протез воспринимает как команду сжать пальцы, разгибателей – раскрыть ладонь. Пошевелить, скажем, одним искусственным мизинцем через миографию не получится – не удастся уловить соответствующий сигнал. Поэтому еще более продвинутые протезы работают иначе. Примерно так: два сгибания подряд переводят кисть в новый режим – например, управления указательным пальцем. Еще два сгибания – в управление большим пальцем и так далее. Интересно, но не так уж просто в эксплуатации. Вообще есть мнение, что развитие протезов зашло в некоторый тупик – нельзя без конца усложнять, надо искать новую точку роста.
Как раз ей и может стать обратная связь – от протеза к человеку. Она могла бы сильно улучшить качество жизни хотя бы потому, что даже самым навороченным современным протезом ничего нельзя сделать вслепую.
– При переключении скорости инвалиду приходится отвлечься от дороги и смотреть на рычаг, это неудобно и небезопасно, – приводит простой пример Юрий Матвиенко, руководитель департамента нейротехнологий «Моторики».
Все от нервов
О сжатии протеза в кулак человеку сообщают датчики угла сгибания пальцев
Совместный проект «Моторики», Сколтеха и Медицинского центра ДВФУ – это, кстати, тоже партнер Русфонда – начался в 2021 году. Чтобы передавать человеку сигналы по его собственной нервной системе, надо, понятно, в эту систему вмешаться, установить электроды. Разработки таких инвазивных технологий сложны в плане получения всяческих разрешений. Но тут вопрос был решен легко. – Давно разработана технология купирования фантомных болей с помощью инвазивной нейростимуляции, существует государственная квота на такие процедуры – объясняет нейрохирург медцентра Артур Биктимиров. – Для исследования отбирали пациентов-добровольцев, которые такими болями страдали.
Фантомные боли в той или иной степени есть больше чем у половины людей, перенесших ампутацию. Это мучительное осложнение. Часто такие боли повторяют ощущения в момент, когда пострадала конечность. Это может быть сильное жжение в случае электротравмы, ощущение сдавливания, скручивания, если рука попала под пресс. Иногда кажется, что несуществующий кулак сильно, до боли сжат, а разжать невозможно. Электрические импульсы, посылаемые в мозг через электроды на периферических нервах, некоторых областях спинного и головного мозга, должны перебить этот болевой сигнал, объясняет Биктимиров.
Но как же сообщить мозгу о размерах предмета? О том, мягкий он или жесткий, горячий или холодный? Для этого существуют рецепторы разного типа. В частности, проприорецепторы – они сигнализируют человеку о взаимном расположении частей его тела. В протезе кисти их работу симулирует угломер: он сообщает, насколько согнуты пальцы.
Все это множество сигналов поднимается вверх по руке и попадает в спинной мозг. Точно их имитировать невозможно по многим причинам – их слишком много, они плохо изучены, у каждого человека их структура очень индивидуальна. Если бы готовившийся несколько лет назад опыт по пересадке головы вдруг каким-то чудом удался, не факт, что голова смогла бы разобраться в том, что ей сообщает по нервным волокнам новое тело.
Подбирай и властвуй
Провода соединяются с человеческими нервами: интерфейс мозг-компьютер в действии
Медицина и биология еще не достигли того уровня, чтобы точно выделять и копировать сигналы каждого отдельно взятого рецептора.
– Мы симулируем действие сразу многих рецепторов, подаем сигнал одновременно на весь нерв – это целый пучок отдельных нервных волокон, аксонов, но мы не разбираем их по одному, – говорит Биктимиров. – Некоторые закономерности уже удалось выявить, но все равно сигнал приходится просто подбирать. Меняем амплитуду и другие параметры, а пациент говорит: «Сейчас я почувствовал прикосновение, а сейчас – сжатие пальцев».
На первом двухнедельном этапе в 2021 году ДВФУ и «Моторика» работали с двумя пациентами, рассказывает Матвиенко. Обоим подобрали сигналы на периферические нервы, купирующие фантомные боли. А потом обоих же научили с помощью протеза кисти различать большой цилиндр и маленький. На следующих этапах расширилась гамма протезов, пациентов научили различать уже три размера, а также мягкое или твердое.
– Наш мозг отличает мягкий предмет по тому, что после соприкосновения с ним можно еще немного довести пальцы, – четко объясняет Матвиенко, человек с техническим образованием. А еще попытались снабдить обратной связью протез ноги – человеку ведь важно чувствовать рельеф поверхности, по которой он идет.
– Сейчас закончился четвертый этап, – говорит Матвиенко. – Получены интересные результаты, но они пока в обработке, расскажем о них в апреле-мае.
Сон наяву
Так исследователи получают обратную связь от пациента, у которого нет обеих рук
А пока возникает естественный вопрос. Если мы уже с грехом пополам можем передать через провода и нейроны ощущения из протеза в мозг, нельзя ли запустить аналогичный процесс в другую сторону? Чтобы и управляли бионическим протезом тоже сигналы нейронов. Это гораздо удобнее, чем перещелкивать «умную» кисть с программы на программу повторными сгибательными движениями. Рука стала бы как живая.
Но организаторы нынешних исследований не считают такое возможным. Можно подобрать и имитировать сигналы от рецепторов, но обратный сигнал, от мозга к руке, пока невозможно ни имитировать, ни расшифровать.
До серийного производства чувствующего протеза от «Моторики» – годы. Работы, конечно, ведутся и в других странах, но и там готового к продаже изделия нет. Зато есть исследования – инвалиды-добровольцы, соответствующие определенным критериям, уже могут в них участвовать, набор идет постоянно. Участники, по словам Матвиенко, бывают просто ошарашены результатами. Получить обратно потерянную руку, пусть ненадолго, – такое бывает только во сне.
Фото: «Моторика»
