Нейроинтерфейс впервые вернул пациенту одновременно осязание и подвижность

Новая разработка частично вернула Йэну Бёркхарту (на фото) не только подвижность руки, но и осязание.

Новая разработка частично вернула Йэну Бёркхарту (на фото) не только подвижность руки, но и осязание.
Фото The Ohio State University Wexner Medical Center.

Система разделяет осязательную и моторную информацию в моторной коре головного мозга и направляет их к разным устройствам. Перевод Вести.Наука.

Система разделяет осязательную и моторную информацию в моторной коре головного мозга и направляет их к разным устройствам. Перевод Вести.Наука.
Иллюстрация Patrick D. Ganzer et al, Cell (2020).

Новая разработка частично вернула Йэну Бёркхарту (на фото) не только подвижность руки, но и осязание.
Система разделяет осязательную и моторную информацию в моторной коре головного мозга и направляет их к разным устройствам. Перевод Вести.Наука.

Новая система восстановила у парализованного человека способность двигать рукой и ощущать прикосновения к ней. Это первый интерфейс "мозг–компьютер", решающий сразу обе эти задачи.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Cell.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) уже рассказывали о непростой судьбе Йэна Бёркхарта (Ian Burkhart). В 19 лет он неудачно нырнул и сломал позвоночник. Вот уже девять лет у молодого человека не функционируют руки ниже локтя. Повреждённый спинной мозг не обеспечивает им должной связи с головным мозгом. Пациент не может ни пошевелить кистью, ни почувствовать прикосновение к ней.

Исследователи создали систему, которая частично восстановила подвижность правой руки Бёркхарта. В 2014 году они вживили ему в голову небольшой имплантат. Этот прибор считывает команды, посылаемые мозгом правой руке. Затем устройство передаёт сигнал на специальный рукав, стимулирующий мышцы пациента с помощью электрических разрядов. Так информация передаётся от головного мозга к конечности без участия спинного мозга.

После нескольких лет упорных тренировок испытуемый научился выполнять простые движения. Он может взять чашку кофе, приложить банковскую карту к сканеру и так далее.

Но, конечно, Бёркхарту далеко до ловкости здорового человека. До недавнего времени одна из причин состояла в том, что у него не было осязания, которое очень помогает нам управлять движениями.

"До сих пор собственная рука порой казалась Йэну чужой из-за отсутствия сенсорной обратной связи, – рассказывает первый автор новой статьи Патрик Гэнзер (Patrick Ganzer) из Мемориального института Баттеля. – У него также возникают проблемы с управлением рукой, если он не наблюдает за своими движениями внимательно. Это требует большой концентрации и делает почти невозможной обычную многозадачность, позволяющую, например, пить содовую во время просмотра телевизора".

Теперь исследователи нашли способ хотя бы частично вернуть кисти правой руки своего подопечного осязание. Объясним, каким образом.

К счастью, в спинном мозге молодого мужчины осталось некоторое количество неповреждённых нервных волокон, передающих в головной мозг сигнал от осязательных рецепторов правой руки. Конечно, их слишком мало для нормальной работы осязания, поэтому Йэн и лишён тактильных ощущений. Но всё же эта информация достигает мозга.

Ещё одно важное обстоятельство связано с тем, что осязательный сигнал поступает в несколько регионов мозга. В том числе и в первичную моторную кору, основная функция которой – управлять движениями. А это та самая область, в которую у Бёркхарта уже вживлены считывающие электроды.

Система разделяет осязательную и моторную информацию в моторной коре головного мозга и направляет их к разным устройствам. Перевод Вести.Наука.

Учёные заново дешифровали данные, получаемые имплантатом от мозга. Они отделили команды на движение руки от слабого сенсорного сигнала, связанного с осязанием (что было совсем не тривиальной задачей).

Затем нейробиологи добавили к своей разработке ещё один элемент. Это вибрирующее кольцо, надеваемое на бицепс, где у Йэна сохранилась чувствительность.

Теперь, когда испытуемый в лаборатории прикасается к предметам правой рукой, происходит следующее. Сохранившиеся нервные волокна спинного мозга передают головному мозгу слабый осязательный сигнал. В моторной коре возникает связанная с осязанием активность, "перемешанная" с командами на движение руки. Вживлённые в мозг электроды считывают этот неразделённый сигнал и по проводам передают его на компьютер. Специальный алгоритм отделяет директивы на движение от данных, связанных с осязанием.

Моторные команды передаются на рукав, стимулирующий мышцы, управляющие движением кисти (поясним, что эти мускулы тянутся к кисти от предплечья, на которое и надет рукав). Осязательная же информация поступает на вибробраслет на бицепсе пациента и приводит его в движение.

Получается, что, трогая что-то кистью, Йэн испытывает тактильные ощущения на бицепсе. А это уже осязательная обратная связь, позволяющая корректировать движения.

Авторы отмечают, что их детище стало первым нейроинтерфейсом, который обеспечивает одновременно и движение, и осязание. Ещё удивительнее, что для такого масштабного апгрейда не пришлось вживлять электроды в первичную соматосенсорную кору, отвечающую за осязание. Это важно, ведь чем меньше в мозге инородных тел, тем меньше риска для пациента.

Теперь Бёркхарт выполняет движения кистью быстрее и успешнее, чем раньше. Кроме того, он может на ощупь обнаружить присутствие предмета (это удаётся в 90% случаев). Наконец, теперь Йэн соизмеряет силу захвата в зависимости от массы и жёсткости объекта, который он берёт в руку.

Исследователи надеются, что со временем их подопечный научится манипулировать объектами, не глядя на них.

Кроме того, они работают над тем, чтобы Бёркхарт смог пользоваться своими новыми возможностями дома, а не только в лаборатории. Для этого, в частности, нужен новый рукав, который было бы легко снять и надеть. Кроме того, новая система должна управляться с планшета, а не полноформатного компьютера.

Отметим также, что было бы ещё лучше сделать её беспроводной (хотя это наверняка сложная задача).

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как электронные протезы научили чувствовать боль, и о датчиках, которые помогут наделить протезы осязанием.