Новый способ подключать протезы кистей и рук к нервной системе может позволить мозгу контролировать протезы так же легко, как и настоящие конечности.
Об авторах
В одной из самых каноничных сцен научно-фантастического кино Люк Скайуокер исследует возможности своего искусственного предплечья и кисти. Герой киноэпопеи может двигать своими пальцами, растягивая и стягивая поршни, как мы видим через откинутую кожу на запястье. Затем он чувствует, как медицинский робот касается одного его пальца. Люк не только может управлять своей рукой, но и чувствовать ее как свою.
Что зритель не видит, так это саму связь между человеком и машиной. Нейроученые, такие как мы, понимают, что для того, чтобы заставить такую систему работать, нужно научиться переводить нервные импульсы из мозга в электрические сигналы, затем в искусственную руку и обратно. Если не брать в расчет кино, в реальном мире никто еще не выяснил, как соединить нервную систему с электрическими цепями таким образом, чтобы создать связь между протезом и телом, как это было бы в обычном теле.
И неудивительно, что мы еще не выяснили как. Во-первых, нервы и электрические цепи, которые вместе должны управлять электроникой в протезе, используют совершенно разные принципы передачи сигналов. В электронных устройства передача сигналов основана на токе электронов по проводящим материалам, а также через полупроводники и транзисторы. Нервная система же опирается на деполяризацию клеточных мембран и выброс сигнальных веществ в пространство между нервными клетками. Во-вторых, такая связь требует имплантации проводов и других электронных приборов в тело. Тело, естественно, воспримет такие импланты как чужеродные, что приведет к постоянным атакам со стороны иммунной системы и последующей скарификации тканей вокруг интерфейсов, что приведет к нарушению работы системы.
Последние несколько лет исследования в сфере нанотехнологий и хирургии направлены как раз на устранение выше обозначенных проблем. Вместо того, чтобы заставить нервы взаимодействовать напрямую с нормальной электроникой в современных протезах, мы вместе с другими пытаемся построить "мост" между нервами и протезами на основе врожденной способности нервной системы адаптироваться к новым ситуациям. Мы действительно приблизились к воссозданию той сцены из "Звездных войн". Такие искусственные конечности могут ощущаться и управляться мозгом.
Изображение: Scientific American
Соединяя моторную и сенсорную функции
Возможно, это прозвучит цинично, но мы обязаны колоссальному прогрессу в производстве протезов военным конфликтам – в частности, войнам в Ираке и Афганистане. Только в последние годы компании сфокусировались на производстве искусственных верхних конечностей. Ведь создать искусственные ноги для выполнения двух основных функций - бега и ходьбы - гораздо легче, чем создать высокоточные руки с широким диапазоном возможностей. С 2006 года, когда DARPA запустила новую программу по исследованию искусственных конечностей, исследователи сделали существенный прорыв в создании усложненных протезов верхних конечностей.
Трудность в создании высоко функционального протеза верхней конечности заключается в полном (или хотя бы частичном) копировании мелкой моторики рук. Чтобы достигнуть этого, требуется установить связь с областями мозга, которые он использует для передачи нервных импульсов к определенным мышечным волокнам, контролирующим предплечье, и для получения и обработки информации о давлении, положении, напряжении, импульсе, в области начиная от руки и заканчивая кистью. Все эти данные позволяют мозгу понять, сколько усилий нужно вложить в любое действие.
В здоровой конечности все эта моторика и сенсорика наряду с другими вещами создает чувство, называемое проприоцепция – осязание того, где именно находится часть тела в пространстве и отношение этой части тела к другим частям без необходимости смотреть на них. Без этого чувства выполнение таких простейших действий, как письмо ручкой, было бы практически невозможным. Спасибо сложной симфонии в работе нервной системы. Система сигналов от мозга к конечностям и обратно позволяет нам писать ручкой, нажимая с нужной силой, и делать мелкие отступы между словами, перенося ручку по воздуху.
На сегодняшний день, были разработаны роботизированные руки, которые позволяют различную косвенную регуляцию моторики. В некоторых случаях, например, повторное напряжение и расслабление мышц в культе или в груди может активировать специальный переключатель, который вызывает различные движения в протезе.
Но в идеале биоинженеры хотят создать такой протез, который присоединен к моторным нейронам и который можно контролировать с помощью этих же нейронов, которые не погибли после ампутации, а остались на краю поврежденной культи.
Использование моторных нейронов, естественно, только часть картины. Множество простых операций вызывают колоссальные сложности даже у самых передовых протезов. Все это из-за того, что протез не посылает сигналы обратно к мозгу. Ампутанты вынуждены полагаться на свое зрение, а не на естественное чувство проприоцепции в оценке того, как именно им управлять своим протезом. Даже, казалось бы, простейшая операция - застегивание пуговицы,превращается в марафон для пациента. Он сильно устает от медленных и неуклюжих движений своего протеза, затрачивая усилия на концентрацию.
Критично важно для инженеров создать "мост" между нервной системой и протезом, который будет не только воспроизводить моторные функции, но и сенсорную информацию в обе стороны от протеза к мозгу и обратно. Такой "нейро-механический мост" сделает возможной разработку протеза, который контролируется и ощущается, как настоящая рука, нашим мозгом. Наша и еще несколько лабораторий усиленно работают над практическим решением этой проблемы. И хотя мы используем разные подходы для решения этой задачи со своими преимуществами и трудностями, успех, вероятнее всего, будет достигнут сочетанием наработок каждой лаборатории и технологических инноваций.
ДВА ГЛАВНЫХ ПОДХОДА
Первый шаг - это необходимость решить, куда именно в нервной системе поставить интерфейс для соединения мозга и конечности. Есть два основных способа: работать с ЦНС (соединение с мозгом или со спинным мозгом) или пойти дальше и задействовать периферическую нервную систему с нервами, расположенными в основном между спинным мозгом и остальным телом.
Сейчас большинство исследователей сконцентрировались на мозге как на стартовом узле. Наименее инвазивный способ заключается в том, чтобы разместить интерфейс под скальпом или прямо под черепом на поверхности самого мозга. Электроды регистрируют электрический сигнал из мозга, которые анализируются в компьютере,
и затем компьютер дает сигнал о нужном движении. Есть плюс в этом методе – не нужно делать отверстие в мозге. В то же время, возможна интерференция волн с другой электроникой. Также электрические сигналы являются довольно грубым отражением того, что мозг на самом деле делает, и что в свою очередь делает сложным для компьютера предугадать, какое движение должно произойти.
Самый инвазивный способ - имплантация микроэлектродов в верхние слои мозга (микроэлектроды, сверхпроводники из кремния, каждый меньше человеческого волоса в диаметре). Как прямой интерфейс, этот способ дает мощное преимущество в получении точной и богатой информации – включая силу и частоту импульсов возбуждения для каждой нервной клетки. Идея заключается в использовании специального программного обеспечения для расшифровки и преобразования информации в нужное действие.
Такая высоко детализированная информация, в теории, должна предоставить возможность очень точной контроль над протезом.
Прямая связь мозгом уже проверена на множестве людей. В одном случае женщина была парализована инсультом. С роботизированной рукой она выпила кофе из емкости, используя только силу мысли. В 2012 DARPA запустила программу с вышеназванной схемой контроля над конечностями для людей, которые потеряли верхние конечности. В двух случаях электроды, записывающие информацию с нейронов, были присоединены к проводами, выходящими из черепа. Сигнал затем расшифровывался на мощном компьютере, который в свою очередь ретранслировал команды на роботизированную руку. В конечном счете, исследователи хотели бы передавать информацию беспроводным способом, чтобы пациент не был привязан к компьютеру. К сожалению, на данный момент вычислительная мощность не может быть настолько портативно упакована, как того требуют реальные жизненные условия.
Еще один риск - мозговая ткань распознает эти электроды, как чужеродные, и запускает воспалительную реакцию, что в конечном итоге приведет к скарификации электродов. Рубцовая ткань в свою очередь экспоненциально приводит к уменьшению количества отслеживаемых нервных клеток, что ведет к понижению силы сигнала и к уменьшению информативности сигнала от электродов с течением времени, что, в итоге, ухудшит работу протеза.
У некоторых пациентов электроды продолжали давать информацию с одного или нескольких нейронов на протяжении большего периода времени, но это скорее исключение. Исследователи сейчас ищут способы уменьшить силу реакции тела на чужеродные объекты в мозгу.
Изображение: Scientific American
ПЕРИФЕРИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА
Такие вызовы заставили двоих из нас постараться воздействовать на периферическую нервную систему.
ЦНС включает в себя до 100 млрд клеток, периферическая НС состоит из волокон, назвываемых аксонами, которые сгруппированы вместе для формирования нервов. Эти аксоны - длинные отростки нервных клеток (до метра длинной), которые передают электрические сигналы от ЦНС к остальным частям тела.
Некоторые из этих периферических нервных волокон соединяют спинной мозг с мышцами, и, следовательно, позволяют мозгу контролировать моторные функции путем отправления сигналов к спинному мозгу.
Другие периферические нервные волокна передают сенсорную информацию (положение конечности в пространстве, температуру или касания) от тела к спинному мозгу, откуда затем следует в мозг для дальнейшей обработки.
Сенсорные нервные окончания в культе часто продолжают посылать сигналы, так же, как если бы они получали информацию от руки или ноги. Многие ампутанты продолжают чувствовать утраченную конечность – состояние, называемое фантомным. Если бы мы могли перехватить эти ошибочные сигналы от сенсорных аксонов и передать их искусственным конечностям, которые посылали бы сильные сигналы к нервам, мозг легко бы воспринял эти сигналы как от настоящей конечнонсти.
То же самое и с моторными аксонами периферической нервной системы - они все еще могут направлять движение. По причине того, что мозг сохраняет возможность координировать и управлять этими различными моторными сигналами, это может позволить управлять конечностями, как своими собственными.
Проблема в том, что аксоны ПНС не вырастут длиннее, если у них нет биологической цели, с которой они могут создать контакт. Помимо этого известно, что ЦНС и тело плохо реагируют на провода, имплантированные в периферические нервы.
Тодд Куикенн из Северо-Западного университета и его группа провели серьезную работу над этой проблемой. Исследования проводились на добровольцах, используя их мышцы груди, как своего рода мост между культей руки и всей электрической системой протеза. Для начала исследователи отделили моторные нервы от поверхностных мышц груди, чтобы они не получали лишние сигналы от мозга. Потом они аккуратно перенаправили моторные аксоны, которые соединяли позвоночник и травмированную части руки, так чтобы они теперь присоединились к поверхностным мышцам груди.
В течении недель перенаправленные нервы соединились и стали раздражать (иннервировать) мышцы груди. Команды от мозга, раньше направлявшиеся к руке, которой уже не было, теперь шли к груди, что заставляло мышцы сокращаться.
Электроды на коже груди стали записывать активность некоторых сокращенных мышц, что, очевидно, было связанно с получением сигналов от мозга. После нескольких недель тренировок пациенты, наконец, смогли манипулировать своими протезами, просто думая о том, что они хотели бы сделать. Например, мысль о захвате кружки вела к определенному шаблону сокращений в груди, которые «говорили» электронике в протезе сжать пальцы в искусственной руке.
Куикенн и его команда используют этот метод, названный теперь "направленная мускульная реиннервация", на множестве ампутантов. Эта технология позволяет воссоздать неплохой уровень контроля, но подлинно «природный» уровень контроля настоящий кисти и руки еще должен быть разработан.
НЕЙРО-МОСТЫ
Мы полагаем, что приемлемый уровень контроля моторных функций искусственной руки потребует создания принципиально иного типа соединения между живыми тканями и протезом. К счастью, не только мышцы могут реиннервироваться, но также и поврежденные нервы. Проще говоря, нервы даже могут принять трансплантированные нервы как свою часть. Поэтому, 6 лет назад мы решили изучить возможность использования трансплантированных нервных волокон вместо мышечных, как промежуточное звено между повоежденными аксонами на культе и электрической проводкой на протезе.
Чтобы создать такой мост, в первую очередь нужно понять, как выращивать нервные волокна достаточной длины для того, чтобы закрыть промежутки между "домашними" аксонами и электроникой. Один из нас (Smith) придумал технику удлинения аксонов в клеточной культуре до нужной длины. Этот процесс использует природную способность нервов удлиняться в процессе обычных всплесков роста. Наиболее примечательный пример такого удлинения наблюдается в аксонах спинного мозга голубого кита. Аксоны растут по 3см в день и легко достигают 30 метров в длину.
В целом, мы берем культуру нервных клеток и начинаем ее разделять, растягивая половинки в разные стороны каждый день. Из-за растяжения, центральные аксоны вынуждены расти в двух направлениях, чтобы снять напряжение. На основе этого природного процесса мы разработали устройства – аксонные удлинители, способные удлинять аксоны приблизительно на сантиметр в день. И так вплоть до 10см и, возможно, даже длиннее.
Одно из первых применение таких растянутых аксонов - живой мост для восстановления повреждённых периферических нервов. Когда мы имплантировали пучки аксонов в крыс таким образом, что
один конец был близок к кончику поврежденного нерва, аксоны вытянулись и росли вдоль всей длины моста.
В самом деле, многие из аксонов вытянулись так далеко в ранее парализованную конечность, что нерв был полностью восстановлен, и крысы смогли восстановить функцию конечности.
В дополнение, мы определили, что наши нейро-мосты функционируют как минимум 4 месяца после трансплантации, не вызывая при этом иммунного ответа. Успех в экспериментах на крысах подвел нас к следующему шагу - экспериментам на свиньях. Если результаты окажутся положительными, технологию можно будет применить на людях с поврежденными нервами.
Продемонстрировав возможность направлять и стимулировать рост аксонов, мы попытались создать новые, более сложные типы таких мостов, которые позволят аксону обмениваться информацией с электронной системой протеза. Наше целью было найти для этого тонкие проводящие нити, которые тело не воспримет как инородные тела. После тестов и ошибок мы решили создать наши филаменты на основе полианилина - азотосодержащего
органического соединения, которое проводит электрический ток. Также другие исследователи подтвердили, что он не воспринимается телом как чужеродный материал. По крайней мере, тесты на грызунах показали, что такие полимеры действительно не вызывают острый иммунный ответ.
Следующим шагом было заставить выращенные в лаборатории нейроны расти вокруг этих микрофиллмаментов и затем растянуть аксоны к «домашнему» нерву (другой конец микрофиламента соединился бы с протезом через беспроводной передатчик). В идеале, аксоны от культи должны расти вдоль наших растянутых аксонов и взаимодействовать с филаментами, которые в свою очередь получали бы электрические сигналы с моторных аксонов культи и переводили бы их в электронику. Так же и с сенсорными сигналами с электроники, которые проходили бы через филаменты, вызывая деполяризацию сенсорных аксонов, выросших на мосту, и после этого всего передавали бы информацию в спинной и головной мозг.
Используя этот способ на крысах, мы обнаружили, что растянутая нервная ткань обеспечивает путь, который ведет «домашние» аксоны на менее чем несколько десятков микрон в полимерных филаментах. Этого достаточно, чтобы разные филаменты записывали сигналы, идущие в одном направлении по нервам (вниз по конечности) и стимулировали нервы, идущих обратно (к мозгу). Проще говоря, мы создали простой адаптер-шнур, соединяющий приборы с разными разъемами. Наш гибрид биологической ткани (нейроны и их растянутые аксоны) и небиологический проводник позволяют электронике в протезе присоединяться и к аксонам, и к культе.
Такие биогибриды сейчас выжили и интегрировались с «домашним» нервом на протяжении как минимум месяца после трансплантации. Примечательно, что данный механизм не вызывает иммунного ответа, который способен "уничтожить" систему за несколько дней. В настоящее время тестирование этого подхода продолжается.
СЛЕДУЮЩИЕ ШАГИ
Все звучит оптимистично, но наши биогибриды пока находятся в начальной стадии своего развития. Мы не знаем, как долго продержатся наши мосты и как отреагирует иммунная система на полимерные компоненты в течение более длительного срока. Также нам необходимо уменьшить интерференцию с другими электрическими устройствами и увеличить чувствительность отдельных нервных сигналов, передающихся через мост в протез. Даже если мы можем соединить нейроны культи с протезом, мы не можем гарантировать верную интерпретацию мозгом сигналов из протеза.
Опыт с пересадкой рук позволяет надеяться, что мозг сможет работать в таком режиме. В таких трансплантациях хирурги не могут соединить каждый нерв тела с трансплантируемой рукой. Такая точность может и не понадобиться. Мозг человека способен перерисовать внутреннюю карту, содержащую информацию о том, что каждый моторный нейрон будет делать что-то свое, и, таким образом, позволяя управлять новой рукой. Так же как и управление роботизированной рукой, соединенной с нервами, возможно потребует дополнительной перетренировки мозга.
Дальнейший прогресс в увеличении управляемости искусственной руки также может включить в себя комбинацию в исследовании роли ЦНС и ПНС. Пока же создание прямых связей между мозгом и передовыми протезами (путем воздействия напрямую на головной мозг, через переориентированные мышцы груди или через биогибридные мосты) увеличивает шансы создать искусственную руку, которая будет двигаться и ощущаться, как настоящая рука.
Интерфейс между рукой Люка Скайуокера и его новой рукой так и не был показан в "Империя наносит ответный удар". Что же, теперь это дело ученых - выяснить, как такая рука может быть создана.
Перевод: Глеб Кашев
Редактор: Станислав Груздев
В одной из самых каноничных сцен научно-фантастического кино Люк Скайуокер исследует возможности своего искусственного предплечья и кисти. Герой киноэпопеи может двигать своими пальцами, растягивая и стягивая поршни, как мы видим через откинутую кожу на запястье. Затем он чувствует, как медицинский робот касается одного его пальца. Люк не только может управлять своей рукой, но и чувствовать ее как свою.
Что зритель не видит, так это саму связь между человеком и машиной. Нейроученые, такие как мы, понимают, что для того, чтобы заставить такую систему работать, нужно научиться переводить нервные импульсы из мозга в электрические сигналы, затем в искусственную руку и обратно. Если не брать в расчет кино, в реальном мире никто еще не выяснил, как соединить нервную систему с электрическими цепями таким образом, чтобы создать связь между протезом и телом, как это было бы в обычном теле.
И неудивительно, что мы еще не выяснили как. Во-первых, нервы и электрические цепи, которые вместе должны управлять электроникой в протезе, используют совершенно разные принципы передачи сигналов. В электронных устройства передача сигналов основана на токе электронов по проводящим материалам, а также через полупроводники и транзисторы. Нервная система же опирается на деполяризацию клеточных мембран и выброс сигнальных веществ в пространство между нервными клетками. Во-вторых, такая связь требует имплантации проводов и других электронных приборов в тело. Тело, естественно, воспримет такие импланты как чужеродные, что приведет к постоянным атакам со стороны иммунной системы и последующей скарификации тканей вокруг интерфейсов, что приведет к нарушению работы системы.
Последние несколько лет исследования в сфере нанотехнологий и хирургии направлены как раз на устранение выше обозначенных проблем. Вместо того, чтобы заставить нервы взаимодействовать напрямую с нормальной электроникой в современных протезах, мы вместе с другими пытаемся построить "мост" между нервами и протезами на основе врожденной способности нервной системы адаптироваться к новым ситуациям. Мы действительно приблизились к воссозданию той сцены из "Звездных войн". Такие искусственные конечности могут ощущаться и управляться мозгом.
