Механическую руку научили чувствовать
Благодаря новой технологии человек с протезом руки может отличать, каким из искусственных пальцев он дотрагивается до предметов. Кроме улучшенной чувствительности, учёные также разработали более удобный способ крепления искусственных рук к телу.
Идеальный протез конечности должен обладать теми же свойствами, что и настоящая конечность – он должен так же двигаться и чувствовать. Относительно подвижности искусственных рук и ног удалось добиться значительных успехов, но как быть с чувствительностью? Мы чувствуем холод, тепло, можем отличить перо от наждачной бумаги благодаря множеству специальных рецепторов, расположенных в коже и связанных с мозгом. Возможно ли сделать аналогичную систему чувствительности в протезе?
Для разработчиков биомеханических протезов одной из главных задач стало заставить искусственную конечность правильно чувствовать механическое давление. Например, если человек захочет взять искусственной рукой стакан, он должен рассчитать силу хватки, чтобы не раздавить его, а для этого как раз нужно точно чувствовать давление поверхности стакана на пальцы и ладонь. Почти 40 лет продолжаются эксперименты, в которых нейробиологи пытаются создать удовлетворительную обратную связь между мозгом и искусственной рукой с электронными датчиками давления. Однако успеха удалось добиться лишь совсем недавно: Сильвестро Мицера (Silvestro Micera) из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) и его коллеги сообщили в феврале на страницах Science Translational Medicine, что им удалось создать руку, которой можно было не только бережно взять стакан, но и отличить наощупь круглый предмет от квадратного. Биомеханический протез снабдили датчиками, которые оценивали давление руки на предмет по напряжению в искусственных сухожилиях, контролирующих движения пальцев. В соответствии с этим напряжением датчики генерировали электрический сигнал, но в таком виде нервная система его бы не поняла, поэтому понадобился алгоритм, который преобразовывал бы сигнал в понятный для нервной системы язык. Преобразованный импульс по электродам поступал в нервы уцелевшего плеча.
Но вот спустя несколько месяцев в Science Translational Medicine появляется другая статья, в которой группа исследователей из Западного резервного университета Кейза (США) утверждает, что им удалось сделать более чувствительный протез. Они использовали более десятка датчиков давления, которые преобразовывались в электрические импульсы разной силы и длительности. Эти импульсы передавались нервам через три электрода, имплантированные под кожу. Каждый электрод соединялся только с одним нервом, но точек соединения между ними было много: в исследовании участвовали двое людей с ампутированными руками, у одного из них нерв соединялся с электродом двадцатью контактами, у другого их число было поменьше. В результате конструкторы добились большей детализации ощущений: человек мог отличить, чем именно он трогает поверхность, искусственным мизинцем или искусственным большим пальцем.
Более того, добровольцы с искусственными руками могли отличать, например, наждачную бумагу от гладкой или от ребристой поверхности, и, если рука лежала одновременно на двух поверхностях, человек мог сказать, какая часть руки что чувствует. Механическая рука позволяла взять ягоду, не повредив её, и намазать зубную пасту на зубную щётку – довольно тонкие действия, требующие координации ощущений и прилагаемой силы. Достоверность ощущений зависела от числа «входов» между электродом и нервом, а также от точности компьютерных преобразований сигнала. Если раньше ощущения от протеза ограничивались более-менее сильным покалыванием, то теперь, с помощью конструкции, созданной Дастином Тайлером (Dustin Tyler) и его коллегами, биомеханические ощущения стали более реальными. Хотя о полной имитации чувствительности живой руки речь пока не идёт.
Улучшение чувствительности привело к тому, что мозг стал воспринимать искусственную руку как настоящую – у одного из добровольцев, Игоря Спетича, даже исчезли фантомные боли, которые он испытывал из-за ампутированной руки. Эксперимент с новым подключением протеза к человеку длится уже довольно долго: в случае Игоря Спетича – два года, в случае его «коллеги» – 18 месяцев, и пока никаких побочных эффектов обнаружить не удалось. Видеодемонстрацию новой искусственной руки можно посмотреть здесь.
Но большинство протезов руки, сколь бы чувствительны они ни были, крепятся к телу довольно неуклюже и доставляют их обладателям некоторые неудобства. Главная проблема в том, чтобы что-то сделать с проводами, которые нужно как-то связать с нервами – обычно для этого их проводят под кожу. Макс Ортиц-Каталан (Max Ortiz-Catalan) из Технического университета Чалмерса (Швеция) и его коллеги придумали, как сделать соединение протеза и тела более удобным. В том же Science Translational Medicine они описывают титановый переходник между протезом и костью, который крепит протез прямо на кость. Контакт между нервами и проводами оказывается полностью скрыт, подкожного введения электродов тут нет, что гораздо удобнее других способов соединения. Такое устройство, по словам авторов разработки, позволяет передавать во всей полноте сенсорные ощущения. Так что осталось дождаться, когда будет создана гибридная конструкция, совмещающая повышенную чувствительность протеза с надёжностью и удобством крепления.
