Implan otak manusia diciptakan untuk menerima sensasi sentuhan dari lengan mekanik

Sentuhan adalah umpan balik yang kami terima saat menggunakan tangan. Berkat sentuhan, Anda dapat memanipulasi objek tanpa melihat: ambil, setrika, pukul, dll. Umpan balik diperlukan untuk penanganan yang hati-hati terhadap barang-barang rapuh seperti telur. Sentuhan memberikan informasi penting untuk respons refleks instan - sehingga seseorang menjaga mekanisme dan organnya tetap utuh.

Pada akhirnya, berkat sentuhan, otak menerima informasi tentang beberapa sifat benda - sifat tersebut tidak dapat dikenali sebaliknya. Misalnya, kelembutan / kekerasan, elastisitas, kelengketan, dll. Dengan menggunakan data ini, otak menghitung sifat-sifat lain dari objek, yang memungkinkan kita untuk memprediksi masa depan dengan andal, yaitu, untuk memprediksi hasil interaksi dengan objek.

Pentingnya sentuhan tidak dapat disangkal. Dalam hal ini, sangat menyedihkan bahwa perancang bioprosthes masih belum menemukan cara yang dapat diandalkan untuk mengirimkan informasi dari sensor tangan mekanik ke otak manusia.

Sampai sekarang, tidak ada prostesis lengan dan kaki yang tersedia secara komersial yang dilengkapi dengan sensor sentuh, karena informasi ini masih mustahil untuk ditransmisikan ke seseorang secara real time, yaitu, dengan cara alami: melalui ujung saraf ke otak.

Ingat bagaimana Luke Skywalker merasakan sakit ketika jarum menusuknya di lengan bioniknya yang baru? Tentu saja, saya ingin membuat teknologi seperti itu tersedia tidak hanya untuk Sith, tetapi juga untuk orang biasa.

Insinyur telah lama berusaha untuk memecahkan masalah. Jelas, interaksi dengan sistem saraf pusat seseorang diperlukan, protokol yang belum sepenuhnya diuraikan. Kita harus mencari solusi untuk menggabungkan struktur saraf hidup dan struktur mekanik. Sekarang ini adalah ilmu terapan neuroengineering . Sekelompok neuroengineers dari University of Pittsburgh (AS) menemukan solusi yang mungkin untuk mentransmisikan impuls taktil dari lengan mekanik.

Para insinyur mencoba mengganti indera peraba alami dengan impuls buatan dengan harapan otak itu sendiri akan menyesuaikan dengan sinyal baru. Elektroda dipasang di korteks serebral, yang merangsang area individu sesuai dengan pembacaan sensor pada lengan mekanik. Seseorang memiliki perasaan seolah-olah menyentuh sesuatu.

Fenomena ini dijelaskan dalam beberapa makalah ilmiah. Tampaknya itu pertama kali diperhatikan pada tahun 1997 dan dijelaskan dalam sebuah makalah ilmiah di jurnal Nature . Kemudian para ilmuwan memperhatikan bahwa stimulasi bagian-bagian tertentu dari korteks serebral membuat hewan bereaksi seolah-olah anggota tubuh mereka bergerak. Tapi apa sebenarnya yang dirasakan hewan selama stimulasi otak masih belum diketahui. Pada tahun-tahun berikutnya, percobaan seperti itu dilakukan pada manusia.: subyek menegaskan bahwa mereka merasakan perasaan tertentu di anggota badan.

Universitas Pittsburgh melakukan percobaan selama enam bulan pada seorang pasien berusia 28 tahun, Nathan Copeland, dengan cedera tulang belakang yang berlangsung lama. Pria pada tahun 2004 mengalami kecelakaan dan lehernya patah.

Dua neuroimplants dengan kisi 60 elektroda berukuran 2,4 × 4 mm diperkenalkan ke otak Nathan. Kabel dari otak keluar dari kepala dan terhubung ke modul logam eksternal, yang berfungsi sebagai koneksi.



Hal yang paling sulit adalah menemukan tempat yang cocok pada korteks serebral untuk implantasi implan. Para ilmuwan untuk waktu yang lama mempelajari menyusun peta fungsional otak, mencoba untuk secara akurat menentukan area korteks di mana pemrosesan sinyal taktil terjadi. Untuk pasien ini, yang tidak menyentuh apa pun selama 10 tahun, ia dipaksa untuk secara aktif memikirkan bagaimana ia menyentuh dan merasakan dengan jari yang berbeda. Pada saat yang sama, pembacaan pencitraan resonansi magnetik diambil.



Pada akhirnya, para ilmuwan mampu membuat peta perkiraan bagian-bagian dari wilayah somatosensori korteks yang terkait dengan pemrosesan informasi dari masing-masing dari tiga jari (ibu jari, jari telunjuk, jari kelingking) dan telapak tangan.



Implan dimasukkan dengan rapi di sebelah neuron yang sesuai, dan pasien terhubung ke sistem stimulasi mikro, menerapkan impuls lemah ke elektroda dan memantau reaksi. Dia mengatakan bahwa dia merasakan berbagai kombinasi getaran, sentuhan, tekanan dan kesemutan, seolah-olah dalam persendian dan di bawah kulit tangan. Menariknya, peta sensasi belum berubah selama enam bulan.

Untuk percobaan ilmiah utama, modul komunikasi implan dihubungkan ke prostesis mekanik - dan sensasi yang dialami pasien selama berbagai tindakan lengan mekanik dicatat. Ternyata menekan jari dengan benar ia mengenali di 84% kasus, dan selama pelatihan - dalam 100% kasus.


Ilmuwan menekan jari ketika pasien ditutup matanya

Mereka mencoba membuat antarmuka taktil untuk anggota badan buatan sebelumnya. Misalnya, dalam kerangka program DARPA HAPTIX , antarmuka saraf sedang dikembangkan untuk mengirimkan sinyal taktil dari prosthesis ke sistem saraf. Pada x-ray di bawah, elektroda ditanamkan secara operasi di lengan bawah dan dihubungkan dengan kabel ke komputer eksternal. Idealnya, sinyal sensorik dari prostesis masuk melalui antarmuka taktil ke sistem saraf tepi, dan dari sana ke sumsum tulang belakang.


Elektroda ditanamkan dengan operasi di lengan bawah dan disambungkan ke komputer eksternal

Para ilmuwan dari proyek HAPTIX berhasil mencapai hasil yang baik dalam menciptakan antarmuka taktil. Tapi dia tidak bisa membantu orang yang menderita kerusakan pada sumsum tulang belakang. Tetapi pengembangan neuroengineers dari University of Pittsburgh dapat membantu.

Nilai dari metode baru ini adalah bahwa informasi ditransmisikan langsung ke otak dari tangan, melewati sumsum tulang belakang, meskipun secara nirkabel. Ini memberi harapan bagi sejumlah besar orang yang hidup dengan cedera tulang belakang. Hanya di Amerika Serikat dari ini 243 000-347 000 orang, menurut penilaianPusat Nasional untuk Cedera Tulang Belakang. Jika diperkirakan, maka di seluruh dunia harus ada beberapa juta. Tergantung pada tingkat kerusakan pada jalur saraf, efeknya bervariasi dalam kekuatan: dari hilangnya sebagian sensasi di jari hingga hilangnya kemampuan mengendalikan seluruh anggota tubuh.

Untuk orang-orang dengan cedera tulang belakang, implantasi penerima sinyal ke otak paling cocok. Sangat disayangkan bahwa peta otak setiap orang memiliki karakteristiknya sendiri, jadi sebelum implantasi, Anda harus melakukan pemetaan individu dari wilayah somatosensori korteks, yaitu, beberapa sesi MRI.

Implan taktil otak masih perlu dikembangkan lebih lanjut. Dia bahkan tidak bisa membandingkan dengan tangan yang hidup, dan bukannya sensasi sentuhan, pasien merasakan sensasi kesemutan. Para ilmuwan belum dapat berpura-pura menyentuh dari bagian-bagian tertentu dari tangan, misalnya, dari ujung jari. Mungkin penentuan posisi elektroda yang lebih akurat dalam korteks somatosensori diperlukan. Mungkin jumlah elektroda harus ditingkatkan.

Sebuah artikel ilmiah yang menggambarkan implan inovatif akan diterbitkan pada 19 Oktober 2016 di jurnal Science Translational Medicine (doi: 10.1126 / scitranslmed.aaf8083).

Source: https://habr.com/ru/post/id398269/