Раньше я плотно следил за деятельностью Хью Герра и его проекта по созданию бионических конечностей. Еще в 2014-том году потенциал протезов был весьма высоким. Некоторые уже обеспечивали походку, не отличимую от обычной походки человека. Но пришло время сделать еще один шаг вперед.
Нейропротез и его возможности
Новая хирургическая техника для ампутаций ниже колена сохраняет способность человека получать сенсорную обратную связь от оставшихся мышц. При этом остаются нейронные пути. Протез ноги, подключенный к собственной нервной системой ампутанта, обеспечивает более естественную походку.
Больше, чем переставлять ноги
Баки Барнс из Marvel, Сайракс из Mortal Kombat и Газель из франшизы Kingsman. Что общего у этих вымышленных киногероев? Нейропротезы, которыми они владеют с невероятной точностью. К сожалению, реальная жизнь пока еще не догнала видение кинематографа, но находится на верном пути.
Большая часть актуальных протезов ног не обеспечивает обратную связь с нервной системой, как это делает целая конечность. Вместо этого они полагаются на кибернетические датчики и контроллеры, которые двигаются в соответствии с предопределенным алгоритмом походки. Предугадывая поведение человека. Новое исследование MIT в сотрудничестве с Brigham and Women's Hospital приблизило нас к более плотному симбиозу с искусственными конечностями.
Это первое в истории исследование протезов, которое предлагает протез ноги при полной нейронной модуляции. Она и обеспечивает биомиметическую походку.
Хью Герр, профессор медиаискусств и наук в медиалаборатории Массачусетского технологического института, содиректор Центра бионики им. К. Лизы Ян в Массачусетском технологическом институте, ассоциированный член Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте и автор-корреспондент исследования.
Ходьба опосредована сложным нейромеханическим процессом — взаимодействием нервов и мышц.
С нервной стороны, афферентные нейроны переносят сенсорную информацию от кожи или других органов вверх по спинному мозгу в головной мозг.
В головном мозге ассоциативные нейроны решают, как реагировать.
Затем афферентные нейроны отправляют информацию из мозга вниз по спинному мозгу и к мышцам, сообщая им, какое движение выполнять.
Затем идет проприоцепция, которая является способностью тела ощущать движение, действие и местоположение, осознание тела в пространстве. Что актуально при внедрении нейропротезов при квадриплегии.
В целых конечностях проприоцепция обеспечивается биологическими сенсорами в парах мышц, действующих в противовес друг другу, поочередно сокращаясь (называемых агонистами) и растягиваясь (антагонистами).
При обычных ампутациях ниже колена эти мышцы перерезаются, нарушая проприоцепцию и затрудняя для людей управление протезной конечностью, поскольку они не могут точно ощущать, где находится конечность в пространстве. Впрочем, нейроимпланты могут даже помочь устранить ситуацию с параличом.
От хирургии к кибернетике
Несколько лет назад Хью Герр и его коллеги начали разрабатывать новую хирургическую процедуру, называемую агонист-антагонист мионевральный интерфейс (AMI). Цель процедуры в том, чтобы воспроизвести проприоцепцию в ампутированной конечности и восстановить нормальную походку у ампутантов. Вместо того, чтобы разрывать естественное сопряжение мышц-агонистов и антагонистов, хирурги соединяют их концы, чтобы они могли общаться друг с другом.
При ампутации с помощью АМИ мы пытаемся соединить нативные агонисты с нативными антагонистами физиологическим способом, чтобы после ампутации человек мог двигать фантомной конечностью с физиологическим уровнем проприоцепции и диапазоном движений.
Хью Герр
Исследование 2021 года показало, что людям с ампутацией ниже колена новая хирургическая техника обеспечивала более точный контроль оставшейся конечности. Уцелевшие мышцы производили электрические сигналы, очень похожие на те, которые производились в целой конечности.
Результат AMI
Неожиданно пациенты, которые прошли через процедуру AMI, сообщили о меньшей боли и большем ощущении свободы движения в ампутированных конечностях. В новом исследовании изучалось, могут ли эти электрические сигналы генерировать команды для киберпротеза и поддерживать проприоцептивную обратную связь, которая позволила бы пользователю корректировать свою походку по мере необходимости.
Семь человек, перенесших операцию AMI, сравнивали с семью, перенесшими традиционную ампутацию ниже колена. Всем им дали одну и ту же бионическую конечность, протез с приводной лодыжкой и электродами, прикрепленными к коже, которые воспринимают сигналы электромиографии (ЭМГ) от передней большеберцовой мышцы, которая проходит вдоль внешней стороны голени, и икроножной мышцы. Разница в том, что у пациентов с AMI эти две мышцы были хирургически соединены. Сигналы ЭМГ подавались в роботизированный контроллер, который помогал протезу вычислять, на какой градус согнуть лодыжку, какой крутящий момент применить или какую мощность подать.
Участники исследования были протестированы в различных сценариях ходьбы: по ровной дорожке длиной 10 метров, вверх по склону, вниз по пандусу, вверх и вниз по лестнице и по ровной поверхности, избегая препятствий. Участники с нейропротезным интерфейсом AMI справились лучше. Они ходили примерно с той же скоростью, что люди без ампутации, и легче преодолевали препятствия. Их движения были более естественными, и они могли лучше координировать движения своих протезных и естественных конечностей. Они также могли отталкиваться от земли с той же силой, что и люди без ампутации.
Благодаря нейропротезному интерфейсу AMI мы смогли усилить нейронную сигнализацию, сохранив столько нейронных связей, сколько было возможно. Это позволило восстановить способность человека непрерывно и напрямую контролировать походку, на разных скоростях, по лестницам, склонам и даже при преодолении препятствий.
Хёнгын Сон, научный сотрудник-постдокторант в Media Lab Массачусетского технологического института и ведущий автор исследования.
Насколько хорош новый нейропротез?
Эти результаты были получены, несмотря на то, что сенсорная обратная связь, обеспечиваемая AMI, составляла менее 20% от той, которая работает в ноге среднестатистического человека.
Одним из главных выводов здесь является то, что небольшое увеличение нейронной обратной связи от ампутированной конечности может восстановить значительную бионическую нейронную управляемость, вплоть до того, что вы позволяете людям напрямую нейронно контролировать скорость ходьбы, адаптироваться к различной местности и избегать препятствий. Это шаг на пути к основной цели лаборатории Герра — максимально естественной интеграции человека и его протеза, а не просто создания все более технологически продвинутых бионических конечностей.
Хёнгын Сон, научный сотрудник-постдокторант в Media Lab Массачусетского технологического института и ведущий автор исследования.
Проблема с этим технологического подхода в том, что пользователь никогда не будет чувствовать протез, как часть себя. Он никогда не сможет воспринять протез как часть своего тела, часть себя. Подход, который используем мы, это попытка всесторонне соединить мозг человека с электромеханикой.
Хью Герр.
По словам исследователей, операцию по технологии AMI перенесли около 60 пациентов, и наработки этого процесса можно применять людям с ампутацией руки. Что ж, походу наработки вселенной Deus Ex куда ближе к реальности, чем могло показаться ранее. И нейроинтерфейс человек мозг компьютер может оказаться куда ближе к реальности, чем казалось ранее.
Больше материалов про сознание, возможности расширения потенциала, аугментацию и технологии – читайте в нашем сообществе. Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые статьи!
