Щось таке просте, як підняти чашку чаю, вимагає від вашого організму надзвичайно багато дій. Ваші м’язи рук вогнем рухаються рукою до чашки. Ваші м’язи пальців відкриваються, а потім зігніть пальці навколо ручки. Ваші плечові м’язи утримують вашу руку від вискакування з плеча, а основні м’язи стежать за тим, щоб ви не перекинулися через зайву вагу чашки. Усі ці м’язи повинні стріляти точно і злагоджено, і все ж єдине ваше свідоме зусилля - це думка: «Я знаю: чай!»

Ось чому дозволити паралізованій кінцівці знову рухатися так складно. Більшість паралізованих м’язів все ще можуть працювати, але їх зв'язок з мозком втрачено, тому вони не отримують інструкцій щодо стрільби. Ми поки що не можемо відновити пошкодження спинного мозку, тому одне рішення - обійти його та штучно надати м’язам інструкції. І завдяки розвитку технологій читання та інтерпретації мозкової діяльності ці інструкції одного разу могли вийти безпосередньо з свідомості пацієнта.

Ми можемо розпалити паралізовані м’язи, стимулюючи їх електродами, розміщеними всередині м’язів або навколо нервів, що їх подають, - це техніка, відома як функціональна електрична стимуляція (FES). Крім того, що допомагає паралізованим людям рухатися, він також використовується для відновлення роботи сечового міхура, ефективного кашлю та полегшення болю. Це захоплююча технологія, яка може значно змінити життя людей з травмою спинного мозку.

Дмитра Блана та її колеги з Keele працюють над тим, як узгодити цю технологію зі складним набором інструкції, необхідні для роботи рукою. Якщо ви хочете підняти ту чашку чаю, які м’язи потрібно розпалювати, коли і на скільки? Інструкції зі стрільби складні, і не тільки через велику кількість задіяних м’язів сердечника, плечей, рук і пальців. Коли ви повільно п'єте чай, ці інструкції змінюються, тому що вага чашки змінюється. Щоб зробити щось інше, наприклад, почухати ніс, інструкції зовсім інші.

Замість того, щоб просто випробовувати різноманітні схеми стрільби на паралізованих м’язах у надії знайти той, який працює, ви можете скористатися комп’ютерні моделі опорно -рухового апарату обчислити їх. Ці моделі є математичними описами того, як м’язи, кістки та суглоби діють та взаємодіють під час руху. У моделюванні ви можете зробити м’язи сильнішими або слабшими, “паралізованими” або “зовнішньо стимульованими”. Ви можете швидко та безпечно перевірити різні схеми випалювання, а також змусити моделей знову і знову брати чашки з чаю - іноді успішніше інших.

Моделювання м’язів

Щоб перевірити технологію, команда Keele працює з Клівлендський центр FES в США, де вони імплантують до 24 електродів в м’язи та нерви учасників дослідження. Вони використовують моделювання, щоб вирішити, де розмістити електроди, оскільки в сучасних системах FES більше паралізованих м’язів, ніж електродів.

Якщо вам доведеться вибирати, то краще стимулювати підлопаткову або надшпинкову? Якщо ви стимулюєте пахвовий нерв, чи слід розмістити електрод до гілки до або після неї, після гілки? Щоб відповісти на ці складні питання, вони виконують моделювання з різними наборами електродів і виберіть той, який дозволяє комп'ютерним моделям здійснювати найбільш ефективні рухи.

{youtube} 1GKfWow6aFA {youtube}

В даний час команда працює над плечем, яке стабілізується групою м'язів, званої ротаторною манжетою. Якщо ви неправильно отримали вказівки щодо стрільби для руки, вона може потягнутися до ложки супу замість ножа для масла. Якщо ви неправильно отримали вказівки щодо манжети для обертання, рука може вискочити з плеча. Моделі комп’ютерів виглядають не дуже добре, але вони не скаржаться. Учасники дослідження були б менш поблажливими.

Знати, як активувати паралізовані м’язи, щоб виробляти корисні рухи, такі як хапання, - це лише половина проблеми. Ми також повинні знати, коли активувати м’язи, наприклад, коли користувач хоче взяти предмет. Одна з можливостей - читати цю інформацію безпосередньо з мозку. Нещодавно дослідники з США використовував імплантат для прослуховування окремих клітин мозку паралізованого індивіда. Оскільки різні рухи пов'язані з різними моделями мозкової діяльності, учасник зміг вибрати один із шести заздалегідь запрограмованих рухів, які потім були сформовані стимуляцією м'язів рук.

Читання мозку

Це був захоплюючий крок уперед у галузі нейронного протезування, але багато проблем залишається. В ідеалі імплантати мозку повинні тривати багато десятиліть - в даний час важко реєструвати однакові сигнали навіть протягом кількох тижнів, тому ці системи потрібно регулярно калібрувати. Використання нові конструкції імплантів or різні сигнали мозку може покращити довгострокову стабільність.

Крім того, імплантати прислухаються лише до невеликої частки мільйонів клітин, які контролюють наші кінцівки, тому діапазон рухів, які можна прочитати, обмежений. Однак, контроль мозку роботизованих кінцівок з кількома ступенями свободи (рух, обертання та хапання) було досягнуто, а можливості цієї технології стрімко розвиваються.

Нарешті, плавні рухи без зусиль, які ми зазвичай сприймаємо як належне, керуються багатим сенсорним зворотним зв’язком, який повідомляє нам, де наші руки в просторі, а коли кінчики пальців торкаються об’єктів. Однак ці сигнали також можуть бути втрачені після травми працюють дослідники на імплантатах мозку, які одного разу можуть відновити відчуття, а також рух.

Деякі вчені припускають, що технологія зчитування мозку може допомогти працездатним людям більш ефективно спілкуватися з комп'ютерами, мобільними телефонами і навіть безпосередньо в інший мозок. Однак це залишається сферою наукової фантастики, тоді як контроль мозку для медичних застосувань стрімко стає клінічною реальністю.

Про авторів

Дмитра Блана, науковий співробітник у галузі біомедичної інженерії Університету Кіл

Ендрю Джексон, старший науковий співробітник Wellcome Trust, Університет Ньюкасла

Ця стаття була спочатку опублікована на Бесіда. Читати оригінал статті.

Суміжні книги

at InnerSelf Market і Amazon