Jaszczurki mogą się zregenerować po utracie ogonów, a kraby po utracie nóg, ale w porównaniu z tymi pozornie „prymitywnymi” zwierzętami, ludzie stracili wiele zdolności do regeneracji podczas ewolucji. Zdolność do regeneracji kończyn u dorosłych jest prawie zerowa, z wyjątkiem niemowląt, które mogą się zregenerować, gdy stracą opuszki palców. W rezultacie jakość życia osób, które straciły kończyny w wyniku wypadku lub choroby, może ulec znacznemu pogorszeniu, a znalezienie biologicznego zamiennika jest dla lekarzy ważną opcją poprawy życia osób po amputacji.
Już w starożytnym Egipcie odnotowano przypadki sztucznych kończyn. W „Znaku Czterech” Conana Doyle'a znajduje się również opis mordercy używającego protez kończyn do zabijania ludzi.
Takie protezy zapewniają jednak proste wsparcie, ale jest mało prawdopodobne, aby znacząco poprawiły doświadczenie życiowe osoby po amputacji. Dobra protetyka powinna być w stanie wysyłać sygnały w obu kierunkach: z jednej strony pacjent może samodzielnie kontrolować protetykę; Z drugiej strony proteza kończyny musiałaby być w stanie wysyłać wrażenia do kory czuciowej mózgu pacjenta, podobnie jak naturalna kończyna z nerwami, dając im poczucie dotyku.
Wcześniejsze badania koncentrowały się na dekodowaniu kodów mózgowych, aby umożliwić podmiotom (małpom i ludziom) kontrolowanie ramion robotów za pomocą ich umysłów. Ale ważne jest również, aby nadać protezie sens. Pozornie prosty proces, taki jak chwytanie, obejmuje złożoną informację zwrotną, ponieważ podświadomie dostosowujemy siłę naszych palców do tego, jak odczuwamy nasze dłonie, aby nie zsuwać się ani nie szczypać zbyt mocno. Wcześniej pacjenci z protezami rąk musieli polegać na swoich oczach, aby określić siłę przedmiotów. Robienie rzeczy, które możemy zrobić na bieżąco, wymaga dużo uwagi i energii, ale nawet wtedy często coś psuje.
W 2011 roku Duke University przeprowadził serię eksperymentów na małpach. Kazali małpom używać swoich umysłów do manipulowania wirtualnymi ramionami robotów, aby chwytać przedmioty z różnych materiałów. Wirtualne ramię wysyłało różne sygnały do mózgu małpy, gdy napotykało różne materiały. Po treningu małpy były w stanie prawidłowo wybrać określony materiał i otrzymać nagrodę w postaci jedzenia. Jest to nie tylko wstępna demonstracja możliwości nadawania protetyce zmysłu dotyku, ale także sugeruje, że małpy mogą integrować sygnały dotykowe wysyłane przez mózg protezy z sygnałami kontroli motorycznej wysyłanymi przez mózg do protezy, zapewniając pełną zakres informacji zwrotnych od dotyku do czucia do wyboru ramienia sterującego na podstawie czucia.
Eksperyment, choć dobry, był czysto neurobiologiczny i nie obejmował rzeczywistej protezy kończyny. Aby to zrobić, musisz połączyć neurobiologię i elektrotechnikę. W styczniu i lutym tego roku dwa uniwersytety w Szwajcarii i Stanach Zjednoczonych niezależnie opublikowały prace, wykorzystując tę samą metodę mocowania protez sensorycznych do pacjentów eksperymentalnych.
W lutym naukowcy z Ecole Polytechnique w Lozannie w Szwajcarii i innych instytucji poinformowali o swoich badaniach w artykule opublikowanym w Science Translational Medicine. Podali 36-latka, Dennisa Aabo S? Rensen, z 20 miejscami czuciowymi w dłoni robota, które wytwarzają różne doznania.
Cały proces jest skomplikowany. Najpierw lekarze z rzymskiego szpitala Gimili wszczepili elektrody w dwa nerwy ramienne Sorensena, pośrodkowy i łokciowy. Nerw łokciowy kontroluje mały palec, podczas gdy nerw pośrodkowy kontroluje palec wskazujący i kciuk. Po wszczepieniu elektrod lekarze sztucznie stymulowali nerwy pośrodkowe i łokciowe Sorensena, dając mu coś, czego nie czuł od dłuższego czasu: poczuł ruch brakującej ręki. Co oznacza, że nie ma nic złego w układzie nerwowym Sorensena.
Następnie naukowcy z Ecol Polytechnique w Lozannie dołączyli do robotycznej dłoni czujniki, które mogły wysyłać sygnały elektryczne w oparciu o warunki, takie jak ciśnienie. Wreszcie naukowcy połączyli ramię robota z odciętym ramieniem Sorensena. Czujniki w ręce robota zastępują neurony czuciowe w dłoni człowieka, a elektrody wprowadzone do nerwów zastępują nerwy, które mogą przekazywać sygnały elektryczne w utraconej ręce.
Po skonfigurowaniu i debugowaniu sprzętu naukowcy przeprowadzili serię testów. Aby zapobiec innym rozproszeniom, zawiązali Sorensenowi oczy, zakryli mu uszy i pozwolili mu dotykać tylko za pomocą robotycznej ręki. Odkryli, że Sorensen mógł nie tylko ocenić twardość i kształt przedmiotów, których dotknął, ale także rozróżnić różne materiały, takie jak przedmioty drewniane i tkaniny. Co więcej, manipulator i mózg Sorensena są dobrze skoordynowane i responsywne. Dzięki temu może szybko dostosować swoją siłę, gdy coś podnosi i utrzymuje ją stabilnie. „Zaskoczyło mnie to, ponieważ NAGLE poczułem coś, czego nie czułem przez ostatnie dziewięć lat” – powiedział Sorensen w filmie dostarczonym przez Ecole Polytechnique w Lozannie. „Kiedy poruszałem ramieniem, mogłem poczuć, co robię, zamiast patrzeć na to, co robię”.
Podobne badanie przeprowadzono na Uniwersytecie Case Western Reserve w Stanach Zjednoczonych. Ich przedmiotem był 48-letni Igor Spetic z Madison w stanie Ohio. Stracił prawą rękę, gdy spadł na niego młotek podczas wykonywania aluminiowych części do silników odrzutowych.
Technika zastosowana przez naukowców z Case Western Reserve University jest mniej więcej taka sama jak technika stosowana w ECOLE Polytechnique w Lozannie, z jedną istotną różnicą. Elektrody używane w Ecole Polytechnique w Lozannie przebiły neurony w ramieniu Sorensena do aksonu; Elektrody z Case Western Reserve University nie penetrują neuronu, lecz otaczają jego powierzchnię. Te pierwsze mogą dawać bardziej precyzyjne sygnały, dając pacjentom bardziej złożone i zniuansowane odczucia.
Ale takie postępowanie wiąże się z potencjalnym ryzykiem zarówno dla elektrod, jak i neuronów. Niektórzy naukowcy obawiają się, że elektrody inwazyjne mogą powodować chroniczne skutki uboczne na neuronach i że elektrody będą mniej trwałe. Jednak naukowcy z obu instytucji są przekonani, że mogą przezwyciężyć słabości swojego podejścia. Spiderdick zapewnia również dość precyzyjne poczucie oddzielenia od papieru ściernego, wacików i włosów. Naukowcy z Ecole Polytechnique w Lozannie powiedzieli jednak, że są pewni trwałości i stabilności ich elektrody inwazyjnej, która u szczurów działała od dziewięciu do 12 miesięcy.
Jednak jest za wcześnie, aby wprowadzić te badania na rynek. Oprócz trwałości i bezpieczeństwa, wygoda protetyki sensorycznej jest wciąż daleka od wystarczającej. Sorenson i Specdick pozostali w laboratorium podczas dopasowywania protez. Ich dłonie z mnóstwem przewodów i gadżetów w niczym nie przypominają bionicznych kończyn z science fiction. Silvestro Micera, profesor Ecole Polytechnique w Lozannie, który pracował nad badaniem, powiedział, że minie kilka lat, zanim pierwsze sensoryczne protezy, które wyglądają jak normalne, opuszczą laboratorium.
„Jestem podekscytowany, widząc, co robią. Mam nadzieję, że pomoże to innym. Wiem, że nauka zajmuje dużo czasu. Jeśli nie mogę jej teraz używać, ale może to zrobić następna osoba, to świetnie”.
Czas publikacji: 14 sierpnia-2021