Протез, который чувствует тепло и холод
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.
Устройство кохлеарного импланта Фото: © Pepermpron / Shutterstock / FOTODOM
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.
Главная причина ампутации нижних конечностей у женщин — сахарный диабет
Фото: © RZ Images / Shutterstock / FOTODOM
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.
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.
Имплант крепился к большеберцовому нерву участников эксперимента
Изображение: © Spring Nature
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.
