Naukowcy „podłączają się” do układu nerwowego, by pacjenci mogli sterować protezami i implantami

Artykuł/Nauka 16.10.2019
Naukowcy „podłączają się” do układu nerwowego, by pacjenci mogli sterować protezami i implantami

Naukowcy „podłączają się” do układu nerwowego, by pacjenci mogli sterować protezami i implantami

Przyglądając się rozwojowi protetyki w ostatnich kilkudziesięciu latach można dojść do wniosku, że już niedługo korzystanie z protez nie będzie różniło się od używania naturalnych kończyn. O ile oczywiście uda nam się stworzyć odpowiednio czuły, niezawodny i intuicyjny interfejs.

Tylko, co w tym kontekście właściwie oznacza słowo intuicyjny? Najlepiej byłoby, gdyby użytkownik protezy sterował nią w taki sam sposób, jak naturalną kończyną. W skrócie: pacjent wyobrażałby sobie ruchy wykonywane ręką i w ten sposób sterował swoją protezą.

Resztą zajmowałby się już sam nowy interfejs, który przechwytywałby i interpretował elektryczne impulsy wysyłane przez neurony ruchowe znajdujące się w rdzeniu kręgowym. Normalnie, neurony te komunikują się z mięśniami za pomocą impulsów elektrycznych przesyłanych 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.

Interfejs mózg-komputer. Sterowanie sztucznymi kończynami stanie się o wiele lepsze

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 ręce. Ten sposób sterowania ma jednak spore ograniczenia i nie pozwala użytkownikowi na wykonywanie zbyt skomplikowanych ruchów protezą.

Podczas amputacji ręki przerwane zostają również włókna nerwowe i mięśnie. Powoduje to, że bardzo trudno jest odczytać z nich sygnał, który mógłby sterować protezą. Dlatego też spróbowaliśmy nowego podejścia do tego problemu i zamiast na mięśniach, skupiliśmy się na systemie nerwowym.

Oznacza to, że nasza technologia może wykrywać i interpretować takie sygnały znacznie łatwiej, otwierając tym samym możliwość o wiele bardziej intuicyjnego i złożonego sterowania robotycznymi protezami dla pacjentów. To bardzo ekscytujący czas dla tego typu badań – mówi doktor Dario Farina, który kierował projektem stworzenia nowego interfejsu.

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 m.in. 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. Polega on 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 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 nawet, 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 dlaczego mielibyśmy ograniczać się możliwościami naturalnych kończyn? Jest to ciekawa myśl, o której wspomina się co jakiś czas w środowiskach biohakerów, których zdaniem stworzenie lepszych zamienników dla poszczególnych organów to tylko kwestia czasu. Bioniczne płuca o lepszej wydajności? Niezniszczalne serce? Protezy kończyn z większym zakresem ruchów, niż naturalny? Urzeczywistnienie wszystkich tych pomysłów to, według niektórych kwestia czasu.

Urządzenie opracowane przez angielski zespół naukowców nie jest jedynym sposobem na podpięcie się do ludzkiego układu nerwowego.

W 2017 r. rozpoczęły się kliniczne testy tzw. bionicznego kręgosłupa, opracowanego przez zespół doktora Terence’a O’Briena ze szpitala w Royal Melbourne w Australii. Bioniczny kręgosłup to w rzeczywistości 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. Cała procedura 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 został przetestowany już na owcach. Przez 190 dni testów nie stwierdzono żadnych powikłań. Badania wykazały też, że ryzyko wystąpienia zakrzepicy żylnej podczas „instalacji” bionicznego kręgosłupa w mózgu jest minimalne. Do tego, 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.

Podobnymi implantami interesuje się również wojsko

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 go 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 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 jakąś górę.

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, a 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 swojej zdrowej kończyny.

Dołącz do dyskusji

Advertisement