Любов в протезирането

Гущерите могат да се регенерират, след като загубят опашките си, а раците могат да се регенерират, след като загубят краката си, но в сравнение с тези на пръв поглед „примитивни“ животни, хората са загубили голяма част от способността си да се регенерират по време на еволюцията. Способността за регенериране на крайниците при възрастни е почти нулева, с изключение на бебетата, които могат да се регенерират, когато загубят върха на пръстите си. В резултат на това качеството на живот на тези, които губят крайници поради злополука или заболяване, може да бъде силно засегнато, а намирането на биологичен заместител е важен вариант за лекарите да подобрят живота на ампутираните.

Още в древен Египет има записи за изкуствени крайници. В „Знакът на четиримата“ на Конан Дойл има и описание на убиец, използващ протези на крайници, за да убива хора.

Подобни протези обаче осигуряват проста подкрепа, но е малко вероятно да подобрят значително жизнения опит на ампутирания. Доброто протезиране трябва да може да изпраща сигнали в двете посоки: от една страна, пациентът може автономно да контролира протезирането; От друга страна, протезният крайник би трябвало да може да изпраща усещания до сензорната кора на мозъка на пациента, точно като естествен крайник с нерви, давайки им усещане за допир.

Предишни проучвания се фокусираха върху декодирането на мозъчни кодове, за да позволят на субекти (маймуни и хора) да контролират роботизирани ръце с ума си. Но също така е важно да се даде усещане на протезата. Привидно прост процес като хващането включва сложна обратна връзка, тъй като ние подсъзнателно регулираме силата на пръстите си според това как се чувстват ръцете ни, така че да не изплъзваме нещата или да ги притискаме твърде силно. Преди това пациентите с протезирани ръце трябваше да разчитат на очите си, за да определят силата на предметите. Отнема много внимание и енергия, за да правим неща, които можем да правим в движение, но дори и тогава те често развалят нещата.

През 2011 г. университетът Дюк проведе серия от експерименти върху маймуни. Те накараха маймуните да използват ума си, за да манипулират виртуални роботизирани ръце, за да хванат предмети от различни материали. Виртуалната ръка изпраща различни сигнали към мозъка на маймуната, когато срещне различни материали. След обучение маймуните успяха правилно да изберат конкретен материал и да получат награда за храна. Това не само е предварителна демонстрация на възможността протезите да дадат усещане за допир, но също така предполага, че маймуните могат да интегрират тактилните сигнали, изпращани от мозъка на протезата, със сигналите за управление на двигателя, изпращани от мозъка към протезата, осигурявайки пълно диапазон от обратна връзка от докосване до усещане за контрол на избора на рамо въз основа на усещане.

Експериментът, макар и добър, беше чисто невробиологичен и не включваше действителен протезен крайник. И за да направите това, трябва да комбинирате невробиологията и електроинженерството. През януари и февруари тази година два университета в Швейцария и Съединените щати публикуваха статии независимо, използвайки същия метод за закрепване на сензорни протези на експериментални пациенти.

През февруари учени от Ecole Polytechnique в Лозана, Швейцария, и други институции съобщиха за своето изследване в статия, публикувана в Science Translational Medicine. Те дадоха на 36-годишен субект Денис Аабо С? Rensen, с 20 сензорни места в роботизираната ръка, които произвеждат различни усещания.

Целият процес е сложен. Първо, лекарите от римската болница Gimili имплантираха електроди в двата нерва на ръката на Соренсен, средния и улнарния нерв. Улнарният нерв контролира малкия пръст, докато средният нерв контролира показалеца и палеца. След като електродите бяха имплантирани, лекарите стимулираха изкуствено средните и улнарните нерви на Соренсен, като му дадоха нещо, което не е усещал от дълго време: той усети как липсващата му ръка се движи. Което означава, че няма нищо лошо в нервната система на Соренсен.

След това учени от Ecol Polytechnique в Лозана прикрепиха сензори към роботизираната ръка, които могат да изпращат електрически сигнали въз основа на условия като налягане. Накрая изследователите свързаха роботизираната ръка с отрязаната ръка на Соренсен. Сензорите в роботизираната ръка заемат мястото на сензорните неврони в човешката ръка, а електродите, поставени в нервите, заместват нервите, които могат да предават електрически сигнали в изгубената ръка.

След настройка и отстраняване на грешки в оборудването, изследователите проведоха серия от тестове. За да предотвратят други разсейвания, те завързаха очите на Соренсен, запушиха ушите му и го оставиха да докосва само с роботизираната ръка. Те открили, че Соренсен може не само да прецени твърдостта и формата на предметите, които докосва, но също така да прави разлика между различни материали, като дървени предмети и плат. Нещо повече, манипулаторът и мозъкът на Соренсен са добре координирани и отзивчиви. Така той може бързо да регулира силата си, когато вземе нещо и да го поддържа стабилно. „Това ме изненада, защото ИЗНЕНАДНО почувствах нещо, което не бях усещал през последните девет години“, каза Соренсен във видео, предоставено от Ecole Polytechnique в Лозана. „Когато преместих ръката си, можех да усетя какво правя, вместо да гледам какво правя.

Подобно проучване е направено в университета Case Western Reserve в Съединените щати. Техен обект беше 48-годишният Игор Спетич от Медисън, Охайо. Той загуби дясната си ръка, когато върху него падна чук, докато прави алуминиеви части за реактивни двигатели.

Техниката, използвана от изследователите на Case Western Reserve University, е приблизително същата като техниката, използвана в ECOLE Polytechnique в Лозана, с една важна разлика. Електродите, използвани в Ecole Polytechnique в Лозана, пробиват невроните в ръката на Соренсен в аксона; Електродите в университета Case Western Reserve не проникват в неврона, а вместо това обграждат повърхността му. Първите могат да произвеждат по-точни сигнали, давайки на пациентите по-сложни и нюансирани чувства.

Но това крие потенциални рискове както за електродите, така и за невроните. Някои учени се притесняват, че инвазивните електроди могат да причинят хронични странични ефекти върху невроните и че електродите ще бъдат по-малко издръжливи. Въпреки това, изследователите от двете институции са уверени, че могат да преодолеят слабостите на своя подход. Spiderdick също създава доста точно усещане за отделяне от шкурка, памучни топки и коса. Изследователите от Ecole Polytechnique в Лозана обаче заявиха, че са уверени в издръжливостта и стабилността на техния инвазивен електрод, който е продължил между девет и 12 месеца при плъхове.

Все пак е твърде рано да пуснем това изследване на пазара. В допълнение към издръжливостта и безопасността, удобството на сензорното протезиране все още далеч не е достатъчно. Соренсън и Спекдик останаха в лабораторията, докато се поставяха протезите. Ръцете им, с много жици и джаджи, не приличат на бионичните крайници на научната фантастика. Силвестро Мичера, професор в Ecole Polytechnique в Лозана, който работи по изследването, каза, че ще минат няколко години, преди първите сензорни протези, които изглеждат точно като нормалните, да напуснат лабораторията.

"Вълнувам се да видя какво правят. Надявам се, че ще помогне на другите. Знам, че науката отнема много време. Ако не мога да я използвам сега, но следващият може, това е страхотно."