Тактильная стимуляция упростила управление протезом руки

Американским ученым удалось улучшить работу управляемого моторной корой протеза руки с помощью одновременной тактильной стимуляции. Для этого они подключили протез к двум пластинам с микроэлектродами: одна располагалась в моторной, а другая — в соматосенсорной коре левого полушария головного мозга парализованного пациента. Дополнительная тактильная стимуляция протеза помогла пациенту в два раза быстрее брать и переносить предметы, а также с помощью нее удалось высыпать кубики из одного стакана в другой, не уронив ни одного на стол. Статья опубликована в журнале Science.

Для мелкой моторики важны не только движения, но и получаемый сенсорный ответ, в частности — осязание, которое помогает определить границы объекта, плотность и текстуру его поверхности, и зрение, которое помогает определить положение предмета в пространстве. При полном или частичном параличе осязание недоступно, и обратную связь зачастую можно получить только с помощью визуальной информации. Разумеется, для полного восстановления работоспособности конечностей (в первую очередь с помощью протеза, управляемого мозговой активностью) только зрения как канала сенсорного ответа недостаточно, поэтому разработчики активно ищут решения, которые бы помогли перенести в протез не только моторные, но и тактильные функции.

Один из таких протезов в 2016 году показали ученые под руководством Роберта Гонта (Robert Gaunt) из Питтсбургского университета. Тогда они вживили в головной мозг Нейтана Коупленда, 28-летнего пациента с парализованными в результате травмы шейного отдела позвоночника конечностями, пластину из 32 микроэлектродов: их расположили на соматосенсорной коре левого полушария. Стимуляция участков коры смогла частично восстановить ощущения прикосновений (Коупленд описывал их как покалывания, давление или удары тока). Подключение электродов к протезу помогло настроить биологическую обратную связь: благодаря стимуляции соматосенсорной коры при контакте датчиков на протезе с объектом Коупленду удалось их осязать. 

Сейчас Гонт и его коллеги решили совместить стимуляцию соматосенсорной коры со стимуляцией мотороной коры — также в левом полушарии. В коре расположили 80 дополнительных микроэлектродов, которые позволили Коупленду свободно двигать протезом в пространстве, а также захватывать предметы. В результате протез был подключен как к моторной коре, так и к соматосенсорной — и Коупленд мог одновременно двигать им и ощущать то, к чему он прикасается.

Чтобы проверить эффективность использования такого протеза, Коупленда попросили перенести несколько предметов с одного места на другое — либо с включенной, либо выключенной тактильной стимуляцией. Так, участнику необходимо было поднять, перенести и опустить мячик, камень, ручку с подставки и несколько кубиков разных размеров. С помощью протеза с подключенной тактильной стимуляцией Коупленду удавалось выполнять задания в среднем в два раза быстрее (10,2 против 20,9 секунды), а также он реже ронял предметы. 

В дополнительном задании Коупленда попросили поднять стакан с кубиками, пересыпать их в другой и опустить стакан — так исследователи попробовали сымитировать переливание воды. С включенной тактильной стимуляцией задание удалось выполнить за 24 секунды; в том же случае, когда стимуляция была выключена, это заняло больше минуты, а несколько кубиков высыпались из стакана на стол.

По словам авторов работы, эффективность использования протеза с тактильной стимуляцией объясняется тем, что она позволяет сократить время, необходимое для того, чтобы захватить объект, что еще раз подтверждает важность осязания для мелкой моторики. Несмотря на то, что использование такого протеза позволило Коупленду выполнять простые действия с достаточной скоростью и точностью, исследователи уточняют, что разработка их протеза пока что все еще находится на стадии эксперимента: неизвестно, как минимум, можно ли будет добиться подобных результатов у других пациентов.

Помогает биологическая обратная связь и при использовании протеза ноги: в начале этого года швейцарские ученые выяснили, что такой протез кажется легче, а также с ним проще одновременно ходить и считать в уме. 

Елизавета Ивтушок