Восстановление функциональности руки, потерявшей связь с мозгом
Преимущества управления протезами рук или экзоскелетными руками продолжают удивлять. Хотя человек, получивший серьезное повреждение шеи, не нуждается в таких устройствах, так как даже самая огромная рука, которую только можно себе представить, будет просто-напросто «торчать» из плеча, неспособная двигаться. Попытки управлять искусственной рукой могут казаться бесполезными для этих людей в случае, когда не может быть создан мостик, соединяющий всего лишь пару сантиметров рубцовой ткани в позвоночнике. Однако ученые из Западного резервного университета Кейза (США) сделали в этой области шаг вперед. Они совершенствуют корковый чип Braingate (разработанный в Университете Брауна), который они объединяют со своей собственной платформой электростимуляции.
Уже давно известно, что электростимуляция может напрямую управлять мышцами. Проблема заключается в том, что это, честно говоря, неточная процедура, она может быть болезненной и даже может нанести повреждения. Точное определение расположения при стимуляции нервов – намного лучший подход. Одна группа ученых из Западного резервного университета Кейза недавно показала замечательное устройство - манжетный электрод, который можно поместить на небольшой участок нерва. Ученые использовали манжет, чтобы обеспечить интерфейс для передачи данных, собранных сенсорами на руках, в мозг, используя чувствительные нервы в руке. Вместе с электростимуляцией можно использовать манжетный электрод для стимуляции нервов, которые идут в другом направлении, т.е. к мышцам.
Сложность данной схемы заключается в том, что даже если двигательные нервы могут быть физически разъединены от чувствительных нервов и направлены к определенным мускулам, точную последовательность стимуляции, которая необходима для полноценного движения, очень трудно определить. Чтобы решить эту задачу, другая группа из Западного резервного университета Кейза разработала детализированную симуляцию того, как различные мышцы работают вместе, чтобы управлять движениями руки и кисти. Их модель состоит из 138 частей мышц, распределенных по 29 мышцам, которые, в свою очередь, функционируют в 11 суставах. Идея заключается в том, чтобы пациент наблюдал за изображением виртуальной руки, в то время как он посылает нейронные команды, которые собирает чип BrainGate, чтобы рука двигалась. В ходе настоящих клинических испытаний, чип BrainGate2 содержит массив из 96 электродов толщиной в волос, которые используются для стимуляции маленькой области двигательной зоны коры головного мозга.
Трюк заключается не в том, чтобы найти любую последовательность, которая заставляет руку двигаться из точки А в точку В, а найти последовательность, которая будет идентичной той, которую использует настоящая рука при движении. Это важно, так как каждая мышца обладает не только ограниченным диапазоном сокращений, но и ограниченным диапазоном, где она может применить значительную силу и сгенерировать обратный сигнал об этих силах. Когда мышцы сокращаются они меняют форму, однако менее очевидно то, что их форма в любой момент влияет на то, как другие мышцы используют суставы, которые они заставляют двигаться. Не менее важным является влияние противоположных мышц, которые контролируют встречные движения.
Небольшое количество движений, которые мы делаем, даже без применения силы, состоят из чистых сокращений активных мышц и чистого сдерживания противоположных мышц. Даже при простых движениях, например при отжиме лежа, и бицепсы и трицепсы генерируют силу, попеременно в различных точках при подъеме, несмотря на то, что вес поднимается равномерно.
Если искусственные способы управления будет использоваться для живых людей, особенно для тех, которые были какое-то время без движения, необходимо быть очень осторожными при поднятии чего-либо тяжелого. Многие спортивные травмы, или травмы, полученные пожилыми людьми, являются результатами не того, что движения были сделаны резко, или что они поднимали что-то тяжелое, а потому что их нервная система недостаточно натренирована, для того чтобы она была в состоянии защищать мышцы.
Пока что ни одна модель не является идеальной для выполнения ежедневных задач. Окончательный план представляет собой то, что пациент и управляющий алгоритм будут учиться вместе в тандеме, и обучающий экран не будет нужен совсем. С этой точки зрения, интерфейс, разработанный Западным резервным университетом Кейза наиболее подходящий.
По материалам Extreme Tech.
Анастасия Полянская nauka21vek.ru