Нейропротез: теперь ими можно чувствовать

Сидя неподвижно в кресле на колесиках, парализована от шеи до пят Кэти Хатчинсон (Cathy Hutchinson), кажется, не обращает внимания на кабель, выходящий из ее макушки и теряется в темных волосах. Зато она внимательно смотрит на бутылку с соломинкой, что стоит напротив нее. Ее взгляд неподвижный, поскольку она силой мысли управляет рукой робота позади, чтобы дотянуться через стол, схватить пальцами бутылку и медленно поднять ее к своему рту. Когда ей наконец удается сделать глоток, на ее лице можно прочитать радость и облегчение.

Это видео 58-летней Хатчинсон показывает тот огромный шаг, который сделан в управляемых мозгом протезах [ 1 ]. За последние 15 лет исследователи показали, что крыса может роборукой нажать на рычаг [ 2 ], обезьяна — играть в видеоигры [ 3 ], а человек с параличом всех конечностей — как госпожа Хатчинсона — пить из бутылки с кофе [ 1 ], только думая о желаемом действии. Изменения в протезированных конечностях все больше поражают, поскольку сейчас в них можно управлять движением каждого пальца, и кроме того они имеют более двух десятков суставов.

Однако сосредоточенный взгляд Хатчинсон на видео также показывает еще одну важную особенность, которой до сих пор не хватает протезам. Ее глаза могут сказать ей, где находится рука, но она не чувствует, что именно эта рука делает. Она не может почувствовать, пальцы коснулись бутылки, или промахнулись мимо. Без этого типа тактильной обратной связи даже простейшие действия будут медленными и неуклюжими, о чем хорошо знает Игорь Спетик из города Мэдисон, Огайо. Его руку заменили на протез после несчастного случая на производстве в 2010 году, и он может многое рассказать о поломанных тарелках, разбитых или выпущенных с ладони фруктов в попытке положить их в корзину в местном магазине. Иметь ощущение прикосновения было бы «очень важно», говорит он. «Это был бы еще один шаг вперед к настоящей замены руки».

Исследователи, работающие над протезами, сейчас стараются оснастить их этим свойством, создавая протезы, которые могут «чувствовать» так же, как и настоящая конечность. Это не простая задача: исследователям удалось считать нужные сигналы из мозга, теперь же им придется передавать их обратно в нервную систему. Прикосновения несут в себе большую смесь информации от покалывания шерстяной одежды до скользкости капли сладкого напитка. Эта область исследований все еще недостаточно развита, в ней есть попытки стимулировать нервы на остатке травмированной руки или ноги (культе) и перенаправить нервные волокна к другим частям тела, есть попытки воздействовать непосредственно на мозг (см. ‘Closing the loop « ). Однако «возможно, это следующий большой прорыв», говорит Роберт Кирч (Robert Kirsch) биомедицинский инженер из Западной резервного университета Кейза в Кливленде, Огайо.

Альтернативные ощущение

Обычные протезы имеют обратную связь. Например, в широко используемом протезе типа «крюк» обычно крепление, позволяющее пользователю управлять движением прибора с помощью движений другой частью тела (скажем, противоположным плечом), в таком случае пациенты испытывают сопротивление в креплении, если они что-то схватили. Подобным образом пользователи моторизованных протезов (таких, которыми управляют с помощью электрических сигналов от мышц культи) почувствуют давление на культю, когда прикоснутся к чему-то, или могут услышать незначительные изменения в звуке мотора, когда протез хватает предмет. Исследователи даже пытались умышленно сделать подобную обратную связь — через вибрацию, давление воздуха или электростимуляцию.

Однако ни один из этих стимулов не похож на природный — и это может быть одной из причин, по которым многие люди отказываются от протезирования конечностей такая замена просто не ощущается как часть тела.

Воспроизведение ощущений, подобных природным — трудная задача. Ощущение создаются большим количеством рецепторов кожи улавливают текстуру, вибрацию, боль, температуру и форму, а также рецепторами мышц, суставов и сухожилий, которые вместе отвечают за проприоцепцию — ощущение положения конечности в пространстве. Сейчас протезы лишены датчиков, которые могли бы собрать большинство таких ощущений, однако так же непросто отправить результирующие сигналы в соответствующую область мозга.

Для людей с ампутированными конечностями, как Спетик, одним из возможных путей решения будет направить сигналы к остаткам нервов в культе. Ученые, среди которых и Кен Горч (Ken Horch), исследователь нейропротезирования с Университета Юты в Солт-Лейк Сити сделали именно это, подключив электроды к нервам культи и слегка стимулируя их электрическим током, поэтому пациенты могут чувствовать движение пальцев или прикосновение к ним [ 4 ].

Такая методика также может позволить пациентам различить базовые характеристики объектов: человек, потерявший кисти рук мог отличить деревянный кубик от губки для мытья посуды с помощью протеза руки с сенсорами. Она правильно определяла размеры объектов и твердость более чем в два раза чаще, чем ожидалось при случайном угадывании [ 5 ]. Информация о силе и позиции пальцев направлялась от протеза к компьютеру, который формировал импульс для электродов, имплантированных в нервы плеча. Исследователи из Международного университета Флориды в Майами сейчас работают над созданием имплантата на основе этой методики.

Однако некоторые исследователи обеспокоены тем, что имплантация электродов напрямую к нервам может их повредить. Дастин Тайлер (Dustin Tyler), биомедицинский инженер из Западного резервного университета Кейза и его коллеги создали похожий на манжету электрод что окутывает нерв. «Мы хотим иметь доступ к как можно большей части нерва, не проникая в него», — говорит Тайлер. Исследователи продемонстрировали, что направляя ток к этим манжетам на кошках они могут точно активировать нервы и заставить животных двигаться в нужном направлении [ 6 ]. Сейчас они пытаются стимулировать нервы, нести сенсорную информацию. Первому пациенту — Спетику — имплантировали такие манжеты в запястье в мае прошлого года, говорит Тайлер, и теперь он имеет «очень естественные ощущения» во многих точках. Сейчас команда проверяет электроды на следующем пациенте.

Комплексные ощущения

Какими бы перспективными ни были эти результаты, исследователям, возможно, придется стимулировать сотни тысяч нервных волокон, чтобы создать комплексные ощущения. Кроме того, такие приборы должны работать много лет подряд, чтобы уменьшить количество хирургических вмешательств, необходимых для их замены. Поэтому некоторые исследователи ищут способ создавать обратную связь через прикосновения к коже пациентов.

Эта методика была открыта после происшествия в 2002 году, когда команда под руководством Тодда Квикена (Todd Kuiken), директора Центра бионической медицины с Реабилитационного института в городе Чикаго, Иллинойс проверяла способы, которыми пациенты могли бы лучше управлять своими протезами. Мнение заключалось в перенаправлении нервов, что используются для движений рукой, например, к мышцам других частей тела. Когда пациент думал о сжатии пальцев в кулак, переориентированы мышцы сокращались и образовывали электрический сигнал, который руководил движением протеза.

Первым пациентом, получившим эту терапию «ориентированной реиннервации» был Джесс Салливан, инженер линии электропередач, потерявший обе руки в результате электроожога. После того, как нервные волокна его рук были перенаправлены к мышцам груди, Салливан смог управлять протезом руки, думая о нужных действиях. Однако к удивлению всех, он также начал чувствовать прикосновения к его отсутствующим рукам, когда касались его груди. Итак, перенаправленные нервы проросли к коже груди, а его мозг интерпретировал эти сенсорные сигналы, как будто они поступали от руки. Некоторые части груди ощущались как ладонь, другие — как пальцы или запястье [ 7 ].

В результате появилась возможность перенаправлять сенсорную информацию от протеза к прибору, который мог бы касаться различных частей кожи. Для людей, которым было проведено реиннервационную операцию, давление на переориентированую кожу создавал сигнал прикосновения к отсутствующей руке. Эта методика не идеальна: части руки не очень точно отображаются на реиннервованой коже, и к тому же это отражение у каждого пациента свое. А передача детальной сенсорной информации от протеза может оказаться непростой задачей, так как область стимуляции ограничена небольшим клочком кожи. Однако несмотря на все это, один из бывших коллег Квикена сейчас сотрудничает с компанией «HDT Robotics» в городе Эванстон, Иллинойс, над разработкой такого прибора, и Квикен тоже планирует создать нечто подобное.

Прямое попадание

Ни одна из этих методик не подойдет таким пациентам, как госпожа Хатчинсон, то есть тем, кто пережил инсульт или имеет травмы спинного мозга, что повредило нервные пути от конечностей к головному мозгу. Поэтому некоторые исследователи делают попытки работать с мозгом напрямую. В теории, это не должно вызывать особых сложностей. Поскольку сигналы от определенных частей тела идут к определенным частям мозга, у ученых должна быть возможность создать ощущение прикосновения или проприоцепцию в конечности, активируя непосредственно нейроны, которые обычно получают эти сигналы.

Однако на самом деле это невероятно сложно сделать, потому ученые до сих пор не знают наверняка, какие именно нейроны им потребуются. Поэтому у них есть два варианта: определить и имитировать природные сигналы или заставить мозг заучить новый набор.

Команда под руководством Слаймана Бенсмайи (Sliman Bensmaia) нейроученого с Университета Чикаго, работает с первым вариантом. В одном из исследований ученые регулярно нажимали на две точки на ладони обезьяны и научили животных двигать глазами в ту или иную сторону в зависимости от того, где относительно первой точки прикосновения находилась вторая. После этого команда разместила электроды на мозге обезьян и определила, какие части мозга отвечают на работу с каждой из точек.

После этого исследователи имитировали прикосновение, направляя сигнал к нейронам, которые активировались, когда обезьяне касались мизинца. Животные двигали глазами так же, как и тогда, когда их пальца действительно касались, сказал Бенсмайя в представлении результатов при встрече Общества нейроученых в 2012 году в Новом Орлеане, Луизиана.

Мигель Николелис (Miguel Nicolelis) нейроученый из Медицинского факультета Дюкского университета в Дарем, Северная Каролина, предпочел второй подход. Он и его коллеги обучали обезьян управлять виртуальной рукой на мониторе компьютера — и прикасаться к объектам, изображенных на нем — используя только мысли [ 8 ]. Если рука касалась «жесткого» объекта, то они посылали к мозгу обезьяны электрические импульсы низкой частоты, а когда рука касалась «мягкого», то в мозг посылали сигнал высокой частоты.

Со временем обезьяны научились выбирать правильный предмет зависимости от частоты полученного сигнала, а также могли «чувствовать» предметы на экране. Николелис надеется, что он сможет использовать ту же тактику для людей с протезами.

Однако ни он, ни Бенсмайя не знают, действительно обезьяны, которые принимали участие в эксперименте, чувствовали именно прикосновения, твердость или что-то другое — например, покалывание. «Они явно чувствовали что-то, — говорит Николелис, — однако что именно — знают только они».

Независимо от того, какие использовались сигналы, ученым понадобится гораздо более точная методика их передачи. В случае электрического тока активируются все подряд нервы, находящихся непосредственно у конца электрода, поэтому «даже если бы у нас была самая тонкая игла во Вселенной», все равно возникали бы нежелательные побочные эффекты, говорит Арто Нурмикко (Arto Nurmikko) нейроинженер с Броуновского университета в городе Провиденс, Род-Айленд. Например, попытка создать ощущение в одном пальце может привести к возникновению ощущений и в других частях ладони, говорит он.

Нурмикко и другие исследователи вместо электричества используют свет активации высокоспецифичных групп нейронов и воспроизведения ощущения прикосновения. Сначала с помощью оптогенеза они добились экспрессии генов светочувствительных белков в определенных частях мозга обезьян, получавших тактильную информацию от ладони. Затем они научили обезьяну убирать ладонь с доски, если та вибрировала. Когда после этого команда стимулировала мозг источником света, имплантированным в череп животного, та поднимала руку с доски примерно в 90% случаев, по результатам, которые доложили во время встречи Общества нейроученых. Использование подобной технологии на людях станет возможным лишь через 10-20 лет, говорит Бенсмайя, однако это перспективная стратегия.

Приближение

Даже если подобные методики сработают, неизвестно, насколько сильно они приблизятся к природным ощущений. Покалывание и вибрации — это далеко не полный перечень всех сложных ощущений, которые мы получаем, когда сжимаем ладонь на яблоке или проводим пальцами по краю стола.

Однако пациентам и не нужна вся гамма чувств, говорит Дуглас Вебер (Douglas Weber), биоинженер из Университета Питтсбурга в Пенсильвании. Если будет просто обратная связь для лучшего управления руками и пальцами, это уже поможет людям, скажем, поднять стакан воды, объясняет он. Например, пациенты с кохлеарными имплантатами обычно рады уже когда могут услышать и поддержать разговор по телефону, хотя им остается непросто различить тонкости музыкального произведения.

Одним из самых совершенных приборов что имеет сенсорную обратную связь является протез руки, разработанный исследователями из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса в городе Лорель, Мэриленд. Этот протез создали в рамках исследовательской программы Министерства обороны США, которое с 2006 года потратило 144 млн. долл.. на улучшение протезов для солдат, возвращающихся из Ирана и Афганистана. Протез руки имеет более 100 датчиков, которые могут различить ряд ощущений, от давления до температуры. Ученые из Университета Питтсбурга и Калифорнийского технологического института в Пасадене сейчас ждут нормативное утверждение стимуляции головного мозга пациентов для создания тактильной обратной связи от протеза конечности.

Автор: Роберта Квок
Источник: Nature