Бионические руки не помогли перепрошить осязание

Команда шведских и американских ученых выяснила, что биологическую обратную связь в протезе руки нельзя перестроить даже при длительном ношении устройства. Три участника их исследования в течение минимум двух лет носили протезы, сенсор на кончике большого пальца которых был подключен к периферийным нервам, отвечающим за ощущения в других участках ладони. Несмотря на ежедневное использование устройства, участники не начали чувствовать большой палец: при срабатывании сенсора в нем ощущения все равно возникали в изначальных местах стимуляции. Статья опубликована в Cell Reports.

Чтобы протез мог полностью заменить потерянную конечность, важно настроить в нем биологическую обратную связь: другими словами, недостаточно просто научить человека управлять роботизированной рукой — нужно также сделать так, чтобы он чувствовал то, к чему он прикасается, и, например, мог ощутить силу, с которой хватает предметы. Обычно это делают с помощью стимуляции нетронутых периферийных нервов — например, медиального или локтевого: так, год назад американским ученым удалось частично воссоздать чувствительность в протезе руки LUKE.

Разумеется, для того, чтобы чувствительность появилась в определенных местах протеза (скажем, на кончике указательного пальца), стимулировать необходимо именно тот участок нерва, который отвечает за нее в здоровой руке. На деле же электроды часто имплантируют в произвольном порядке (точечно предсказать необходимое место довольно сложно), поэтому то, будет ли стимуляция приводить к необходимым ощущениям в нужных местах, может быть заранее неизвестно.

Помочь могла бы определенная перестройка сенсорной карты уже после вживления электродов, поэтому исследователи под руководством Макса Ортиза-Каталана (Max Ortiz-Catalan) из Центра изучения бионики и боли при Мёльндальском госпитале решили проверить, могут ли поменяться ощущения в протезе после его длительного использования. В их исследовании приняли участие три человека с ампутированными руками, которые в течение трех лет носили управляемый протез руки, причем первое время — без биологической обратной связи: за это время ученые с помощью стимуляции периферийных нервов смогли отследить, какие именно области фантомной руки участники ощущают. Это позволило настроить сенсоры в самом протезе: при прикосновении сенсора к поверхности стимулировался необходимый для воссоздания ощущения участок нервной ткани.

Одну из связей между сенсором и электродом ученые решили перенастроить: электрод, вызывающий сенсорный ответ кончика среднего пальца или частей ладно (в зависимости от участника) подключили к кончику большого пальца. Таким образом, при срабатывании сенсора на большом пальце изначально ощущения появлялись в других частях ладони. 

Несмотря на то, что все участники носили протез минимум по 12 часов в день в течение двух лет после настройки биологической обратной связи в нем, их сенсорная карта не перестроилась: они продолжали ощущать сенсорный ответ в изначальных точках ладони, а не на кончике большого пальца.

Восстановление утерянных функций после ампутации или, например, инсульта возможно благодаря хорошей пластичности головного мозга, нейронные связи которого могут постепенно перестроиться — например, благодаря многочисленным тренировкам. Авторы работы показали, что пластичность мозга все же может быть ограничена: выученная связь между периферийным нервом и участком соматосенсорной коры, отвечающим за чувствительность определенной части тела, весьма деликатна и, по-видимому, с трудом поддается коррекции. 

Исследователи отметили, что результаты их работы необходимо учитывать при создании чувствительных протезов, но не исключили, что использование дополнительной стимуляции (например, визуальной) все же позволит перенастроить сенсорную карту протеза так, как они планировали. 

Если для протезов руки важно настроить чувствительность и отточить тонкие действия, то при разработке протезов ноги важнее научить устройство обходить препятствия: недавно это удалось сделать американским инженерам. 

Елизавета Ивтушок