Coraz bliżej protezy doskonałej. Naukowcy opracowali interfejs sterowania kończynami za pomocą myśli

Zasada sterowania sztuczną kończyny przy pomocy nowego interfejsu jest bardzo prosta. Najłatwiej opisać ją jako sterowanie swoją fantomową kończyną - pacjent wyobraża sobie ruchy wykonywane ręką i w ten sposób steruje swoją protezą.

Resztą zajmuje się nowy interfejs, który przechwytuje i interpretuje elektryczne impulsy wysyłane przez neurony ruchowe znajdujące się w rdzeniu kręgowym. Normalnie neurony te komunikują się z mięśniami impulsami elektrycznymi przesyłanymi przez aksomy.

Naukowcom z londyńskiego Instytutu Bioinżynierii i Inżynierii Biomedycznej z Imperial College London udało się przechwycić te sygnały i wykorzystać je do sterowania robotyczną protezą.

Robotyczne protezy dostępnie obecnie na rynku opierają się na interfejsie, który interpretuje ruchy mięśniowe. W przypadku protezy ręki, taki interfejs podłączany jest do mięśni znajdujących się na ramieniu lub do nieuszkodzonych mięśni na samej ręce. Ten sposób sterowania ma jednak spore ograniczenia i nie pozwala użytkownikowi na wykonywanie zbyt skomplikowanych ruchów protezą.

Nowa metoda sterowania robotycznymi protezami została przetestowana w warunkach laboratoryjnych na sześciu ochotnikach z protezami rąk. Po kilku godzinach treningu, wszyscy uczestnicy byli w stanie wykonywać o wiele bardziej złożone ruchy swoimi protezami, niż jest to możliwe w przypadku interfejsów mięśniowych.

Pacjenci byli w stanie zginać staw łokciowy, wykonywać ruchy promieniowe nadgarstka. Problemów nie sprawiały również takie czynności, jak zaciskanie i otwieranie dłoni.

Żeby jednak podłączyć się z interfejsem do układu nerwowego pacjenta, konieczny jest zabieg chirurgiczny. Zabieg polega na “przepięciu” połączenia obwodowego układu nerwowego z uszkodzonymi mięśniami odpowiadającymi za ruch ręki (i dłoni) do działających mięśni.

W przypadku tej konkretnej szóstki ochotników, wykorzystano mięśnie piersiowe lub bicepsy. Dzięki nowemu połączeniu, naukowcom udało się odczytać sygnały wysyłane przez neurony ruchowe znajdujące się w rdzeniu kręgowym bez żadnych zakłóceń.

Aby stworzyć działający interfejs, odczytane sygnały zostały odpowiednio zmapowane, a następnie zinterpretowane przy pomocy odpowiedniego oprogramowania. Farina przyznaje się, że jego zespołowi nie udało się “zrozumieć” wszystkich sygnałów przesyłanych przez obwodowy układ nerwowy.

Większa liczba trafnie zinterpretowanych impulsów pozwoliłaby na zaprogramowanie o wiele bardziej precyzyjnych ruchów w robotycznej protezie.

Farina twierdzi, że zmapowanie wszystkich impulsów przesyłanych przez neurony ruchowe do mięśni, pozwoliłoby protezom na ten sam stopień skomplikowania ruchów, jak w przypadku prawdziwych kończyn.

Zresztą, jeśli rzeczywiście udałoby się nam stworzyć interfejs doskonały, to czemu mielibyśmy ograniczać się możliwościami naturalnych kończyn?

W tym roku testy na ludziach rozpoczną się również dla “bionicznego kręgosłupa” opracowanego przez zespół doktora Terence’a O’Briena ze szpitala w Royal Melbourne w Australii.

Bioniczny kręgosłup to implant wielkości spinacza do papieru, który instaluje się w mózgu pacjenta. Zabieg nie wymaga przy tym żadnej operacji. Wielkość urządzenia pozwala na przetransportowanie go do mózgu przez żyłę szyjną. Taki zabieg trwa kilka godzin, a sam implant po kilku tygodniach zostaje unieruchomiony, wrastając w tkankę mózgową.

Tam, dzięki 12 wbudowanym w “bioniczny kręgosłup” elektrodom, implant odczytuje sygnały wysyłane przez ośrodkowych układ ruchowy i wysyła je do nadajnika umieszczonego pod skórą pacjenta. Stamtąd sygnał przesyłany jest już bezprzewodowo i może sterować robotyczną protezą, wózkiem inwalidzkim lub egzoszkieletem.

Implant jak na razie został wszczepiony owcom. Przez 190 dni testów nie stwierdzono żadnych powikłań. Badania wykazały też, że ryzyko wystąpienia zakrzepicy żylnej podczas “instalacji” bionicznego kręgosłupa w mózgu jest minimalne.

Okazało się również, że sygnał przesyłany przez implant ulega wzmocnieniu, po tym jak urządzenie wrośnie w tkankę mózgową.

O’Brien wiąże ze swoim wynalazkiem duże nadzieje. Lekarz twierdzi, że bazując na tym rozwiązaniu można stworzyć urządzenia do leczenia epilepsji, czy choroby Parkinsona. Niewykluczone też, że bioniczny kręgosłup pomoże w powstaniu bionicznego oka.

Amerykańska Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności (DARPA) pracuje nad stworzeniem implantu, który potrafiłby w pełni interpretować wszystkie sygnały płynące z ludzkich neuronów i zamieniać je na kod komputerowy.

Istniejące obecnie implanty tego typu pobierają sygnały od ok. 100 indywidualnych neuronów, przez co są dość prymitywne. W ośrodkowym układzie nerwowym znajduje się ok. 10-15 miliardów neuronów. To bardzo imponująca liczba, która pokazuje, jak wielkie ambicje ma DARPA.

Jeśli rzeczywiście udałoby się stworzyć idealny interfejs, który byłby w stanie interpretować 100 proc. sygnałów dotyczących ruchu, wysyłanych przez nasz układ nerwowy, moglibyśmy stworzyć protezy doskonałe.

I nie chodzi mi tu o protezy, które potrafiłyby odwzorować działanie naturalnej ludzkiej kończyny. Czemu mielibyśmy się ograniczać? Transhumaniści od dawna twierdzą, że powinniśmy wykorzystywać najnowsze zdobycze technologii i odkrycia naukowe do przezwyciężania ograniczeń naszego organizmu.

Osobiście bardzo podoba mi się perspektywa tego, że mając na przykład 70 lat, będę mógł wymienić sobie moje bolące nogi na ultralekką konstrukcję pozbawioną takich niedogodności, jak na przykład zakwasy i wbiec sobie na Rysy.

Opracowanie doskonałego interfejsu mózg-komputer mogłoby również zrewolucjonizować sposób w jaki obecnie korzystamy z komputerów. Technologie sterowane myślą od lat opisywane są przez pisarzy science-fiction.

Biorąc pod uwagę to, że coraz więcej pomysłów z tego gatunku pojawia się na rynku, myślę, że jeszcze za naszego życia pojawią się protezy tak dobre, że niektórzy zdecydują się na wymianę własnej, zdrowej kończyny.