Die Stimulation des Gehirns ermöglicht ein nuanciertes Gefühl in prothetischen Händen

Sie können wahrscheinlich eine erstaunliche Anzahl von Aufgaben mit Ihren Händen erledigen, ohne sie anzusehen. Aber wenn Sie Handschuhe anziehen, die Ihr Touch -Sinn muffst, werden viele dieser einfachen Aufgaben frustrierend. Nehmen Sie die Propriozeption weg – Ihre Fähigkeit, die relative Position und Bewegung Ihres Körpers zu spüren – und Sie könnten sogar ein Objekt brechen oder sich selbst verletzen.

„Die meisten Menschen erkennen nicht, wie oft sie sich auf Berührung anstelle von Sehvermögen verlassen – tippen, gehen, eine fadenscheinige Tasse Wasser aufnehmen“, sagte Charles Greenspon, PhD, Neurowissenschaftler an der Universität von Chicago.

Wenn Sie sich nicht fühlen können, müssen Sie ständig Ihre Hand beobachten, während Sie etwas tun, und Sie riskieren immer noch, Objekte zu verschütten, zu zerquetschen oder fallen zu lassen. „

Charles Greenspon, Neurowissenschaftler, Universität von Chicago

Greenspon und seine Forschungskollaborateure veröffentlichten kürzlich Papiere in Nature Biomedical Engineering Und Wissenschaft Dokumentieren Sie wichtige Fortschritte in einer Technologie, die genau dieses Problem behandelt: direkte, sorgfältig zeitgesteuerte elektrische Stimulation des Gehirns, die taktile Feedback wiederherstellen kann, um prothetische Hände nuanciertes „Gefühl“ zu verleihen.

Die Wissenschaft der Wiederherstellung der Sensation

Diese neuen Studien bauen auf jahrelanger Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern und Ingenieuren an der Uchicago, der University of Pittsburgh, der Northwestern University, der Case Western Reserve University und Blackrock Neurotech auf. Zusammen entwerfen, bauen, implementieren und verfeinerten sie Hirn-Computer-Schnittstellen (BCIS) und Roboterprothese, die darauf abzielen, sowohl die motorische Kontrolle als auch die Empfindung bei Menschen zu restaurieren, die eine signifikante Gliedmaßenfunktion verloren haben.

Auf der Uchicago -Seite wurde die Forschung von Neurowissenschaftler Sliman Bensmaia, PhD, bis zu seinem unerwarteten Tod im Jahr 2023 geleitet.

Der Ansatz der Forscher zum Prothesengefühl besteht darin, winzige Elektroden -Arrays in die Teile des Gehirns zu platzieren, die für das Bewegen und das Gefühl der Hand verantwortlich sind. Auf der einen Seite kann ein Teilnehmer einen Roboterarm bewegen, indem er einfach über Bewegung nachdenkt, und auf der anderen Seite können Sensoren an diesem Roboterglied im Teil des Gehirns, das sich mit der intrakortikalen Mikrostimulation (ICMS) im Rahmen des Gehirns im Rahmen des Gehirns impulsediert, auslösen.

Für ungefähr ein Jahrzehnt, erklärte Greenspon, konnte diese Stimulation des Touch Centers nur ein einfaches Kontaktgefühl an verschiedenen Stellen auf der Hand bieten.

„Wir konnten das Gefühl hervorrufen, dass Sie etwas berührt haben, aber es war meistens nur ein ON/Off -Signal, und oft war es ziemlich schwach und schwer zu erkennen, wo der Handkontakt stattfand“, sagte er.

Die neu veröffentlichten Ergebnisse sind wichtige Meilensteine, um diese Einschränkungen zu überwinden.

Förderung des Verständnisses der künstlichen Note

In der ersten Studie, veröffentlicht in Nature Biomedical EngineeringGreenspon und seine Kollegen konzentrierten sich darauf, sicherzustellen, dass elektrisch evozierte Berührungsempfindungen stabil, genau lokalisiert und stark genug sind, um für alltägliche Aufgaben nützlich zu sein.

Indem die Forscher in den Berührungszentren der Teilnehmer kurze Impulse an einzelne Elektroden in den Berührungszentren der Teilnehmer liefern und sie berichten, wo und wie stark sie die einzelnen Empfindungen empfanden, erstellten die Forscher detaillierte „Karten“ von Gehirnbereichen, die bestimmten Teilen der Hand entsprachen. Die Tests zeigten, dass die Teilnehmer, wenn zwei eng verteilte Elektroden zusammen stimuliert werden, eine stärkere, klarere Berührung verspüren, die ihre Fähigkeit verbessern kann, Druck auf den richtigen Teil der Hand zu lokalisieren und zu messen.

Die Forscher führten auch erschöpfende Tests durch, um zu bestätigen, dass dieselbe Elektrode konsequent ein Gefühl erzeugt, der einem bestimmten Ort entspricht.

„Wenn ich eine Elektrode am ersten Tag stimuliert und ein Teilnehmer sie an ihrem Daumen spürt, können wir dieselbe Elektrode am 100. Tag, Tag 1.000, sogar viele Jahre später, testen und sie spüren sie immer noch an ungefähr derselben Stelle“, sagte Greenspon , wer war der Hauptautor in diesem Papier.

Aus praktischer Sicht müsste jedes klinische Gerät stabil genug sein, damit sich ein Patient im Alltag darauf verlassen kann. Eine Elektrode, die ihren „Berührungsort“ kontinuierlich verändert oder inkonsistente Empfindungen erzeugt, wäre frustrierend und erfordern eine häufige Neukalibrierung. Im Gegensatz dazu könnte die langfristige Konsistenz, die diese Studie ergab, es prothetische Benutzer ermöglichen, Vertrauen in ihre motorische Kontrolle und ihr Berührungsgefühl zu entwickeln, wie sie es in ihren natürlichen Gliedmaßen tun würden.

Bewegungsgefühle und Formen hinzufügen

Die Komplementär Wissenschaft Papier ging noch einen Schritt weiter, um die künstliche Berührung noch eindringlicher und intuitiver zu machen. Das Projekt wurde vom Erstautor Giacomo Valle, PhD, einem ehemaligen Postdoktorand in Uchicago, geleitet, der jetzt seine bionische Forschung an der Chalmers University of Technology in Schweden fortsetzt.

„Zwei Elektroden nebeneinander im Gehirn erzeugen keine Empfindungen, die die Hand in hübschen kleinen Flecken mit eins-zu-eins-Korrespondenz ‚fliesen‘; Stattdessen überlappen sich die sensorischen Standorte“ Papier mit Bensmaia.

Die Forscher beschlossen zu testen, ob sie diese überlappende Natur verwenden könnten, um Empfindungen zu erzeugen, mit denen Benutzer die Grenzen eines Objekts oder die Bewegung von etwas, das entlang ihrer Haut rutscht, spüren konnten. Nachdem sie Paare oder Cluster von Elektroden identifiziert hatten, deren „Berührungszonen“ überlappten, aktivierten die Wissenschaftler sie in sorgfältig orchestrierten Mustern, um Empfindungen zu erzeugen, die über die sensorische Karte hinweg voranschreiten.

Die Teilnehmer beschrieben, wie eine sanfte gleitende Berührung glatt über ihren Fingern ging, obwohl der Reiz in kleinen, diskreten Schritten geliefert wurde. Die Wissenschaftler führen dieses Ergebnis auf die bemerkenswerte Fähigkeit des Gehirns zurück, sensorische Eingaben zusammenzufassen und sie als kohärente, sich bewegende Erfahrungen durch „Füllung in“ Lücken in der Wahrnehmung zu interpretieren.

Der Ansatz von nacheinander aktivierenden Elektroden verbesserte auch die Fähigkeit der Teilnehmer, komplexe taktile Formen zu unterscheiden und auf Änderungen der von ihnen berührten Objekte zu reagieren. Sie konnten manchmal Buchstaben des Alphabets identifizieren, die elektrisch auf ihren Fingerspitzen „verfolgt“ wurden, und sie konnten einen bionischen Arm verwenden, um ein Lenkrad zu stabilisieren, als es anfing, durch die Hand zu rutschen.

Diese Fortschritte tragen dazu bei, das bionische Feedback näher an die genauen, komplexen, adaptiven Fähigkeiten der natürlichen Berührung zu bringen und den Weg für die Prothesen zu ebnen, die einen selbstbewussten Umgang mit alltäglichen Objekten und Reaktionen auf wechselnde Reize ermöglichen.

Die Zukunft der Neuroprosthetik

Die Forscher hoffen, dass sich die Abdeckung der Hand, wenn sich Elektrodenentwürfe und chirurgische Methoden weiter verbessern, noch feiner wird und lebensechteres Feedback ermöglicht.

„Wir hoffen, die Ergebnisse dieser beiden Studien in unsere Robotiksysteme zu integrieren, in denen wir bereits gezeigt haben, dass selbst einfache Stimulationsstrategien die Fähigkeit der Menschen verbessern können, Roboterwaffen mit ihrem Gehirn zu kontrollieren“ der physikalischen Medizin und Rehabilitation und Blei der Stimulationsarbeit an der Universität von Pittsburgh.

Greenspon betonte, dass die Motivation hinter dieser Arbeit darin besteht, die Unabhängigkeit und Lebensqualität für Menschen mit Gliedmaßenverlust oder Lähmung zu verbessern.

„Wir alle kümmern uns um die Menschen in unserem Leben, die verletzt werden und die Verwendung eines Gliedes verlieren – diese Forschung ist für sie“, sagte er. „So starten wir den Menschen die Berührung. Es ist die Vorderseite der restaurativen Neurotechnologie, und wir arbeiten daran, den Ansatz auf andere Regionen des Gehirns zu erweitern.“

Der Ansatz verspricht auch Menschen mit anderen Arten von sensorischen Verlusten. Tatsächlich hat die Gruppe auch mit Chirurgen und Geburtshelfern in Uchicago am bionischen Brustprojekt zusammengearbeitet, das darauf abzielt, ein implantierbares Gerät zu produzieren, das den Berührungssinn nach der Mastektomie wiederherstellen kann.

Obwohl viele Herausforderungen bestehen, liefern diese neuesten Studien Beweise dafür, dass der Weg zur Wiederherstellung der Berührung klarer wird. Mit jeder neuen Erkenntnis kommen Forscher einer Zukunft näher, in der ein Teilprothese -Körper nicht nur ein funktionales Werkzeug, sondern eine Möglichkeit ist, die Welt zu erleben.

Quellen: