Протез, который чувствует тепло и холод
![](/site/glide/?fit=crop-center&w=1050&h=500&source_hash=47a8a4c68193ddb8670f622e37ad09a3&path=%2Ffiles%2Fmodels%2Fnews%2F2218%2F2218_main_image.jpg&s=d050da7643173979fb8d28a0a6ab6828)
Протез, который ощущается как продолжение собственной руки (ноги), — это реальность без фантомных болей. Будущее за бионическими конечностями, которые подчиняются командам нервной системы человека. Другая задача — вернуть человеку те ощущения, которые у него были от живой конечности. Сейчас над подобными технологиями работают во многих странах мира, и в них участвуют ученые «Сириуса».
Многие десятилетия протез руки люди надевали просто как аксессуар. По сути, он выполнял только косметическую функцию. Двигать им было нельзя. Все изменилось с появлением первых нейропротезов, или бионических конечностей. Они работают благодаря имплантируемым биосовместимым электродам. С помощью электричества они восстанавливают нейронную сеть, проводящую сигнал от сенсорных клеток к нервным в головном мозге. Это позволяет частично вернуть утраченные функции.
Первый нейропротез
Говоря о бионических протезах, обычно представляют механическую руку, как у Терминатора из одноименного фильма. Хотя первое такое устройство, ставшее по сути частью человеческого тела, выглядело куда скромнее. Речь о кохлеарном импланте, разработанном в 1961 году. Это устройство помогает слышать тугоухим пациентам. Как оно работает? В голову человеку, а точнее в ушную улитку, вживляют приемник и электрод, а снаружи на ухе он носит микрофон с речевым процессором. Внешнее устройство принимает окружающие человека звуки, преобразует их в данные и передает их импланту, а тот преобразует электрические импульсы в сигналы, понятные нервной системе.
И тем не менее чувствительность и подвижность протезов все еще далека от той, что обладает живой орган. Дело в том, что, в отличие от естественного нервного импульса, который зарождается в небольшой группе клеток после стимула, искусственный сигнал охватывает много нейронов одновременно. Это порождает неприятные ощущения, которые называют парастетическими. Даже спустя какое-то время нервная система не в силах адаптироваться к такого рода сигналам.
![](/files/models/widget_picture/5451/5451_photo.jpg)
Этот побочный эффект от электрической стимуляции может мешать правильно воспринимать нервные сигналы разного характера — например, различать давление на протез при касании от реакции на температуру. Очевидно, такое ограничение серьезно затрудняет взаимодействие человека с окружающими его предметами и объектами.
Чтобы решить эту проблему, международная группа ученых, в числе которых профессор Университета «Сириус», научный руководитель направления «Нейробиология» Научного центра генетики и наук о жизни Павел Мусиенко, модифицировала способ электрической стимуляции и разработала новый нейропротез. Подход, основанный на биомиметической сенсорной обратной связи, вызывал естественные ощущения и реакцию. Ученые смогли сократить число нейронов, задействованных в первоначальном восприятии сигнала, что привело к более натуральному ответу на раздражитель. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
![](/files/models/news/1963/1963_thumbnail_wide.jpg)
Что такое биомиметика?
ЧитатьРазработанный нейропротез сперва успешно прошел испытания in silico, то есть на уровне компьютерного моделирования. Для подобного тестирования ученые разработали реалистичную компьютерную модель FootSim, которая имитирует нейронную активность в ответ на раздражение в области стоп, которое обычно происходит во время ходьбы.
Затем прошли эксперименты с участием животных. Ну а главный и решающий этап исследования состоялся с участием трех людей с ампутированными конечностями. Оценка работы импланта проводилась при выполнении ими разных задач, одной из которых была ходьба по лестнице. Все испытуемые отметили, что подобная биомиметическая электростимуляция ощущалась значительно естественнее и привычнее, чем стандартная.
Подобные эксперименты показывают, что за биомиметическими методами электрической стимуляции будущее нейропротезов, способных напрямую передавать в мозг физиологически правдоподобные ощущения.
«Благодаря сочетанию методов математического моделирования и экспериментальных нейрофизиологических подходов нам удалось разработать и протестировать систему биомиметической нейростимуляции, способную транслировать близкую к натуральной информацию в неповрежденные отделы нервной системы. В дальнейшем такой подход может быть широко использован в бионических протезах для пациентов с ампутированными конечностями, обеспечивая им большую мобильность и лучшую координацию по сравнению с традиционными подходами», — рассказал «Сириус(Журналу» Павел Мусиенко.