Что-то простое, как собирать чашку чая, требует от вас большого количества действий. Ваши мышцы рук стреляют, чтобы поднять руку к чашке. Ваши пальцевые мышцы стреляют, чтобы открыть вашу руку, затем согните пальцы вокруг ручки. Ваши мышцы плеча удерживают вашу руку от выскользнуть из вашего плеча, а ваши основные мышцы убеждаются, что вы не опрокидываетесь из-за лишнего веса чашки. Все эти мускулы должны стрелять точной и скоординированной манерой, и все же ваше единственное сознательное усилие - это мысль: «Я знаю: чай!»

Вот почему включение парализованной конечности в движение снова настолько сложно. Большинство парализованных мышц все еще могут работать, но их связь с мозгом была потеряна, поэтому они не получают инструкции по стрельбе. Мы еще не можем восстановить повреждение спинного мозга, поэтому одно решение заключается в том, чтобы обходить его и давать инструкции мышцам искусственно. И благодаря развитию технологии чтения и интерпретации деятельности мозга эти инструкции могут в один прекрасный день прийти прямо из сознания пациента.

Мы можем сделать парализованные мускулы, стимулируя их электродами, размещенными внутри мышц или вокруг нервов, которые их снабжают, метод, известный как функциональная электрическая стимуляция (ФЭС). Помимо помощи парализованным людям, он также используется для восстановления функции мочевого пузыря, эффективного кашля и облегчения боли. Это увлекательная технология, которая может иметь большое значение для жизни людей с травмой спинного мозга.

Димитра Блана и ее коллеги из Кила работают над тем, как сопоставить эту технологию со сложным набором инструкции, необходимые для управления рукой, Если вы хотите забрать эту чашку чая, какие мускулы нужно стрелять, когда и на сколько? Инструкции по стрельбе сложны, а не только из-за большого количества мышц сердечника, плеча, руки и пальца. Когда вы медленно пьете чай, эти инструкции меняются, потому что вес чашки меняется. Чтобы сделать что-то другое, например, поцарапать нос, инструкции совершенно разные.

Вместо того, чтобы просто экспериментировать с различными способами стрельбы на парализованных мышцах в надежде найти тот, который работает, вы можете использовать компьютерные модели опорно-двигательного аппарата для их расчета. Эти модели являются математическими описаниями того, как мышцы, кости и суставы действуют и взаимодействуют во время движения. В симуляциях вы можете сделать мышцы сильнее или слабее, «парализованными» или «внешне стимулированными». Вы можете быстро и безопасно протестировать различные типы стрельбы, и вы можете заставить модели забирать чашки чая снова и снова - иногда более успешно, чем другие.

Моделирование мышц

Чтобы проверить технологию, команда в Keele работает с Центр Кливленда FES в США, где они имплантируют до электродов 24 в мышцы и нервы участников исследования. Они используют моделирование, чтобы решить, где разместить электроды, потому что в существующих системах FES больше парализованных мышц, чем электродов.

Если вам нужно выбирать, лучше ли стимулировать subscapularis или supraspinatus? Если вы стимулируете подмышечный нерв, вы должны поместить электрод до или после ветви до минимума? Чтобы ответить на эти сложные вопросы, они запускают симуляции с различными наборами электродов и выберите тот, который позволяет компьютерным моделям совершать наиболее эффективные движения.

{} YouTube 1GKfWow6aFA {} YouTube

В настоящее время команда работает на плече, которое стабилизируется группой мышц, называемой манжетами ротатора. Если вы получите инструкции по стрельбе из-за неправильной руки, она может достать ложку супа вместо масляного ножа. Если вы неправильно получите инструкции к манжете ротатора, рука может выскочить из плеча. Это не хороший взгляд на компьютерные модели, но они не жалуются. Участники исследования будут менее прощающими.

Знать, как активировать парализованные мышцы для создания полезных движений, таких как схватывание, является лишь половиной проблемы. Нам также нужно знать, когда активировать мышцы, например, когда пользователь хочет забрать объект. Одна из возможностей - прочитать эту информацию непосредственно из мозга. В последнее время, исследователи в США использовал имплантат для прослушивания отдельных клеток в мозгу парализованного человека. Поскольку разные движения связаны с различными моделями мозговой активности, участник смог выбрать одно из шести предварительно запрограммированных движений, которые затем генерировались при стимуляции мышц рук.

Чтение мозга

Это был захватывающий шаг вперед в области нейронного протезирования, но многие проблемы остаются. В идеале имплантаты мозга должны длиться в течение многих десятилетий - в настоящее время трудно записывать одни и те же сигналы даже в течение нескольких недель, поэтому эти системы необходимо регулярно перекалибровать. С помощью новые конструкции имплантатов or разные сигналы мозга может улучшить долгосрочную стабильность.

Кроме того, имплантаты слушают только небольшую часть миллионов клеток, которые контролируют наши конечности, поэтому диапазон движений, которые можно зачитать, ограничен. Однако, контроль мозга роботизированных конечностей с множественными степенями свободы (движение, вращение и захват), и возможности этой технологии быстро развиваются.

Наконец, гладкие, легкие движения, которые мы обычно принимаем как должное, руководствуются богатой сенсорной обратной связью, которая говорит нам, где наши руки находятся в космосе, и когда наши кончики пальцев касаются предметов. Однако эти сигналы также могут быть потеряны после травмы, поэтому исследователи работают на мозговые имплантаты, которые в один прекрасный день могут восстановить ощущение, а также движение.

Некоторые ученые предполагают, что технология чтения мозга может помочь здоровым людям более эффективно общаться с компьютерами, мобильными телефонами и даже прямо к другим мозгам, Однако это остается областью научной фантастики, тогда как контроль мозга для медицинских применений быстро становится клинической реальностью.

Об авторах

Димитра Блана, научный сотрудник в области биомедицинской инженерии, Университет Кила

Эндрю Джексон, старший научный сотрудник Wellcome Trust, Университет Ньюкасла

Эта статья изначально была опубликована в Беседа, Прочтите оригинал статьи.

Книги по этой теме

at Внутренний рынок самовыражения и Amazon