Ein menschliches Gehirnimplantat wurde erstellt, um taktile Empfindungen von einem mechanischen Arm zu empfangen

Berührung ist das Feedback, das wir erhalten, wenn wir die Hand benutzen. Dank der Berührung können Sie Objekte manipulieren, ohne zu schauen: greifen, bügeln, schlagen usw. Für den sorgfältigen Umgang mit zerbrechlichen Gegenständen wie Eiern ist Feedback erforderlich. Touch liefert wichtige Informationen für eine sofortige Reflexreaktion - so dass eine Person ihre Mechanismen und Organe intakt hält.

Am Ende erhält das Gehirn dank Berührung Informationen über einige Eigenschaften von Objekten - solche Eigenschaften können sonst nicht erkannt werden. Zum Beispiel Weichheit / Härte, Elastizität, Klebrigkeit usw. Mit diesen Daten berechnet das Gehirn andere Eigenschaften des Objekts, wodurch wir die Zukunft zuverlässig vorhersagen können, dh das Ergebnis der Interaktion mit dem Objekt vorhersagen können.

Die Bedeutung der Berührung ist unbestreitbar. In dieser Hinsicht ist es sehr bedrückend, dass die Entwickler von Bioprothesen immer noch keinen zuverlässigen Weg gefunden haben, Informationen von den Sensoren mechanischer Hände an das menschliche Gehirn zu übertragen.

Bisher ist keine einzige im Handel erhältliche Prothese von Armen und Beinen mit Berührungssensoren ausgestattet, da es immer noch unmöglich ist, diese Informationen in Echtzeit, dh auf natürliche Weise, an eine Person zu übertragen: über Nervenenden zum Gehirn.

Erinnerst du dich, wie Luke Skywalker Schmerzen empfand, als eine Nadel ihn in seinen neu eingestellten bionischen Arm stach? Natürlich möchte ich eine solche Technologie nicht nur den Sith, sondern auch den einfachen Menschen zur Verfügung stellen.

Ingenieure haben lange versucht, das Problem zu lösen. Offensichtlich ist eine Interaktion mit dem Zentralnervensystem einer Person erforderlich, deren Protokoll noch nicht vollständig entschlüsselt wurde. Wir müssen nach Problemumgehungen suchen, um lebende neuronale Strukturen und mechanische Strukturen zu kombinieren. Dies ist die angewandte Wissenschaft des Neuroengineering . Eine Gruppe von Neuroingenieuren der Universität von Pittsburgh (USA) fand eine mögliche Lösung für die Übertragung taktiler Impulse von einem mechanischen Arm.

Die Ingenieure versuchten, den natürlichen Tastsinn durch künstliche Impulse zu ersetzen, in der Hoffnung, dass sich das Gehirn selbst auf ein neues Signal einstellen würde. In der Großhirnrinde sind Elektroden angebracht, die einzelne Bereiche gemäß den Messwerten der Sensoren an einem mechanischen Arm stimulieren. Ein Mensch hat das Gefühl, etwas zu berühren.

Dieses Phänomen wird in mehreren wissenschaftlichen Arbeiten beschrieben. Es scheint, dass es 1997 zum ersten Mal bemerkt und in einem wissenschaftlichen Artikel in der Zeitschrift Nature beschrieben wurde . Dann stellten die Wissenschaftler fest, dass die Stimulation bestimmter Teile der Großhirnrinde die Tiere so reagieren lässt, als würden sich ihre Gliedmaßen bewegen. Was genau Tiere während der Hirnstimulation fühlen, ist jedoch unbekannt. In den folgenden Jahren wurden solche Experimente am Menschen durchgeführt.: Die Probanden bestätigten, dass sie bestimmte Gefühle in den Gliedern spüren.

Die Universität von Pittsburgh führte ein langes sechsmonatiges Experiment an einem 28-jährigen Patienten, Nathan Copeland, mit langjähriger Rückenmarksverletzung durch. Der Typ im Jahr 2004 hatte einen Unfall und brach sich den Hals.

Zwei Neuroimplantate mit einem Gitter von 60 Elektroden mit einer Größe von 2,4 × 4 mm wurden in Nathans Gehirn eingeführt. Ein Draht vom Gehirn geht außerhalb des Kopfes und verbindet sich mit einem externen Metallmodul, das als Verbindung dient.



Am schwierigsten war es, einen geeigneten Platz auf der Großhirnrinde für die Implantation zu finden. Wissenschaftler, die lange Zeit untersucht wurden, erstellten eine Funktionskarte des Gehirns und versuchten, den Bereich des Kortex, in dem die Verarbeitung taktiler Signale stattfindet, genau zu bestimmen. Für diesen Patienten, der seit 10 Jahren nichts mehr berührt hatte, war er gezwungen, aktiv darüber nachzudenken, wie er mit verschiedenen Fingern berührt und fühlt. Gleichzeitig wurden die Messwerte der Magnetresonanztomographie abgelesen.



Am Ende konnten die Wissenschaftler eine ungefähre Karte der Abschnitte der somatosensorischen Region des Kortex erstellen, die mit der Verarbeitung von Informationen von jedem der drei Finger (Daumen, Zeigefinger, kleiner Finger) und Handfläche verbunden sind.



Die Implantate wurden sauber neben die entsprechenden Neuronen eingesetzt, und der Patient wurde an das Mikrostimulationssystem angeschlossen, wobei schwache Impulse an die Elektroden angelegt und die Reaktion überwacht wurden. Er sagte, dass er verschiedene Kombinationen von Vibration, Berührung, Druck und Kribbeln fühle, wie in Gelenken und unter der Haut einer Hand. Interessanterweise hat sich die Karte der Empfindungen seit sechs Monaten nicht verändert.

Für das wichtigste wissenschaftliche Experiment wurde das Implantatkommunikationsmodul mit einer mechanischen Prothese verbunden - und die Empfindungen, die ein Patient während verschiedener Aktionen eines mechanischen Arms erfährt, wurden aufgezeichnet. Es stellte sich heraus, dass er in 84% der Fälle und während des Trainings - in 100% der Fälle - das richtige Drücken der Finger erkennt.


Der Wissenschaftler drückt den Finger, wenn dem Patienten die Augen verbunden sind

Sie haben zuvor versucht, eine taktile Schnittstelle für künstliche Gliedmaßen zu schaffen. Beispielsweise wird im Rahmen des DARPA HAPTIX- Programms eine neuronale Schnittstelle entwickelt, um taktile Signale von der Prothese an das Nervensystem zu übertragen. Auf dem Röntgenbild unten werden Elektroden chirurgisch in den Unterarm implantiert und über Drähte mit einem externen Computer verbunden. Im Idealfall gelangen sensorische Signale von der Prothese über die taktile Schnittstelle zum peripheren Nervensystem und von dort zum Rückenmark.


Elektroden werden chirurgisch in den Unterarm implantiert und an einen externen Computer angeschlossen

Den Wissenschaftlern des HAPTIX-Projekts gelang es, ein gutes Ergebnis bei der Erstellung einer taktilen Schnittstelle zu erzielen. Aber er kann Menschen, die an einer Schädigung des Rückenmarks leiden, nicht helfen. Aber die Entwicklung von Neuroingenieuren der Universität von Pittsburgh kann helfen.

Der Wert der neuen Methode besteht darin, dass Informationen von der Hand direkt an das Gehirn übertragen werden, wobei das Rückenmark umgangen wird, obwohl dies drahtlos erfolgt. Dies gibt einer großen Anzahl von Menschen, die mit Rückenmarksverletzungen leben, Hoffnung. Allein in den Vereinigten Staaten leben schätzungsweise zwischen 243.000 und 347.000 MenschenNationales Zentrum für Wirbelsäulenverletzungen. Wenn angenähert, dann sollte es auf der ganzen Welt mehrere Millionen geben. Abhängig vom Grad der Schädigung der Nervenbahnen variieren die Auswirkungen in der Stärke: von einem teilweisen Gefühlsverlust in den Fingern bis zu einem vollständigen Verlust der Fähigkeit, die gesamte Extremität zu kontrollieren.

Für Menschen mit Rückenmarksverletzungen ist die Implantation eines Signalempfängers in das Gehirn am besten geeignet. Es ist nur schade, dass die Gehirnkarte jeder Person ihre eigenen Merkmale aufweist. Vor der Implantation müssen Sie daher eine individuelle Kartierung der somatosensorischen Region des Kortex durchführen, dh mehrere MRT-Sitzungen.

Das taktile Implantat des Gehirns muss noch weiterentwickelt werden. Er kann sich nicht einmal mit einer lebenden Hand vergleichen und anstelle einiger taktiler Empfindungen verspürt der Patient ein Kribbeln. Wissenschaftler konnten nicht so tun, als würden sie bestimmte Teile der Hand berühren, beispielsweise die Fingerspitzen. Möglicherweise ist eine genauere Positionierung der Elektroden im somatosensorischen Kortex erforderlich. Möglicherweise sollte die Anzahl der Elektroden erhöht werden.

Der wissenschaftliche Artikel , die innovative Implantat beschreibt , wird veröffentlicht 19. Oktober 2016 in der Zeitschrift Science Translational Medicine (doi: 10.1126 / scitranslmed.aaf8083).

Source: https://habr.com/ru/post/de398269/