Если бы я сказал вам, что однажды компьютеры позволят парализованным людям снова ходить, вы поверите мне? Что ж, если успех японских исследователей на прошлой неделе является каким-либо показателем, способность управлять человеческим телом с помощью компьютера не так уж далеко в будущем.
14 августа Юкио Нисимура, доцент Национального института физиологических наук (NIPS), выпустил пресс-релиз, в котором говорилось, что исследовательская группа успешно создала искусственную связь между мозгом и ногами испытуемого.
Согласно пресс-релизу, команда по сути подключилась к сигналу от мозга о движении рук, чтобы каждый раз, когда пациент двигал рукой во время ходьбы, компьютерный интерфейс использовал этот сигнал для управления магнитным стимулятором, который управлял «центром спинного мозга», обеспечивая полное движение ног.
Несмотря на то, что испытуемый был «неврологически невредим», их попросили расслабить ноги. Всякий раз, когда обход компьютера был отключен, ноги испытуемых оставались неподвижными. Когда обход был включен, ноги будут двигаться вовремя с движением рук субъекта.
Управление телом с помощью компьютеров
Целью проекта было помочь пациентам с нарушениями походки из-за травмы спинного мозга. Такие травмы могут привести к частичному или полному прерыванию сигналов между мозгом и «центром позвоночника», который контролирует движение ног.
Это прерывание может вызвать неестественную походку или полную неспособность контролировать ноги вообще.
По словам исследователей, центр локомоции в позвоночнике контролирует регулярные движения, такие как ходьба или плавание. Цель исследования состояла в том, чтобы попытаться неинвазивно стимулировать центр локомоции с помощью магнитного стимулятора, чтобы обеспечить контроль за ногами и скорость ходьбы без необходимости непосредственного участия мозга.
Нисимура объяснил, что, несмотря на то, что успешный обход может помочь в обеспечении движения, где в противном случае ходьба была почти невозможна, существуют ограничения. Пациенты могут управлять роботизированной ходьбой и скоростью, но не поворачиваться, не смещаться в сторону и не выполнять другие более сложные движения ног.
Мы надеемся, что эта технология компенсирует функционирование прерванных путей, посылая намеренно закодированную команду в сохраненный локомоторный центр позвоночника, и восстановит контролируемую волей ходьбу у людей с параплегией. Однако главная проблема в том, что эта технология не помогает им уклоняться от препятствий и сохранять осанку. Мы тщательно работаем над клиническим применением в ближайшем будущем.
Испытание локомотивного обхода
Испытание компьютерного обхода спинного мозга включало «подключение» к сигналу, поступающему в руки от мозга, а затем включение локомоторного центра в позвоночнике при каждом включении «обхода».
В ходе эксперимента исследователи привязали субъект к магнитному аппарату, попросили его полностью расслабить ноги. Субъекту было велено размахивать руками, как будто он шел. Затем исследователи отключили байпас и заметили, что ноги испытуемых не двигались. Затем они включили обход, и ноги испытуемых начали двигаться в том же ритме, что и движение руки.
В видео, выпущенном Национальными институтами естественных наук, вы можете посмотреть, как исследователи затем опустили объект на пол, где он начал двигаться вперед, пока, наконец, не ударил футбольный мяч.
В обход спинного мозга
Такого рода исследования продолжаются в течение некоторого времени, с вехами на этом пути. Например, в 2011 году, через семь лет после того, как авария на мотоцикле привела его к параличу, исследователи из Университета Питтсбурга помогли 30-летнему Тиму Хеммесу контролировать движение манипулятора с помощью электрокортикографической сетки (EcoG), размещенной на поверхности Мозг Хеммса.
Этот успех, как и другие в этой области, доказал, что сигналы мозга можно перехватывать и интерпретировать для управления внешними устройствами.
В 2012 году исследователи из Северо-Западного университета смогли использовать аналогичную технологию «мозг-машина» для обхода спинного мозга, так же, как японские исследователи достигли этого на прошлой неделе. Ли Э. Миллер, профессор нейробиологии в Северо-западном университете, объяснил исследование Северо-Запада следующим образом:
Мы подслушиваем естественные электрические сигналы мозга, которые сообщают руке и руке, как двигаться, и посылаем эти сигналы прямо в мышцы.
В своих экспериментах северо-западные исследователи регистрировали сигналы мозга и мышц у обезьян, когда обезьяны хватали и поднимали мяч. Затем исследователи разработали алгоритм, позволяющий декодировать сигналы мозга и определять, когда субъект хочет выполнить те же действия позже.
Исследователи использовали местную анестезию, чтобы парализовать руку обезьяны в локте, а затем использовали нейропротез для контроля мышц кисти всякий раз, когда из показаний мозга обезьяны распознавался правильный рисунок «движения руки». С новой конфигурацией — то есть компьютером, обходящим спинной мозг — обезьяны смогли схватить и поднять мяч почти так же легко, как они это делали, когда рука не была парализована.
Профессор Миллер предсказал, к чему его исследования приведут в ближайшем будущем:
Эта связь от мозга к мышцам может когда-нибудь использоваться, чтобы помочь пациентам, парализованным из-за травмы спинного мозга, выполнять повседневную деятельность и достичь большей независимости.
Японские исследователи доказали это на прошлой неделе и проложили путь для будущего использования компьютеров и анализа мозговых волн чтобы преодолеть физические проблемы, связанные с травмой спинного мозга.
Где вы видите науку о интерфейсах мозг-машина? Позволят ли когда-нибудь имплантированные компьютеры вновь парализованным жить нормальной жизнью? Поделитесь своими мыслями в разделе комментариев ниже.
Кредиты изображений: Магистраль через Shutterstock