Coś tak prostego, jak podniesienie filiżanki herbaty, wymaga strasznie dużo działania ze strony twojego ciała. Twoje mięśnie ramion wystrzeliwują, aby przesunąć rękę w kierunku kubka. Mięśnie palców otwierają dłoń, a następnie zginaj palce wokół uchwytu. Mięśnie ramion zapobiegają wyskakiwaniu ręki z barku, a mięśnie tułowia zapewniają, że nie przewrócisz się z powodu dodatkowego ciężaru kubka. Wszystkie te mięśnie muszą strzelać w precyzyjny i skoordynowany sposób, a jednak twoim jedynym świadomym wysiłkiem jest myśl: „Wiem: herbata!”

Dlatego tak trudno jest przywrócić ruch sparaliżowanej kończynie. Większość sparaliżowanych mięśni może nadal pracować, ale ich komunikacja z mózgiem została utracona, więc nie otrzymują instrukcji strzelania. Nie możemy jeszcze naprawić uszkodzenia rdzenia kręgowego, więc jednym z rozwiązań jest ominięcie go i sztuczne podanie instrukcji mięśniom. A dzięki rozwojowi technologii odczytywania i interpretowania aktywności mózgu, te instrukcje mogą pewnego dnia pochodzić bezpośrednio z umysłu pacjenta.

Możemy rozpalić sparaliżowane mięśnie, stymulując je elektrodami umieszczonymi wewnątrz mięśni lub wokół nerwów, które je zaopatrują, technika znana jako funkcjonalna stymulacja elektryczna (FES). Oprócz wspomagania poruszania się osób sparaliżowanych, jest również używany do przywracania funkcji pęcherza, wywoływania skutecznego kaszlu i łagodzenia bólu. To fascynująca technologia, która może mieć duży wpływ na życie osób z urazem rdzenia kręgowego.

Dimitra Blana i jej koledzy z Keele pracują nad tym, jak dopasować tę technologię do złożonego zestawu instrukcje potrzebne do obsługi ramienia. Jeśli chcesz podnieść filiżankę herbaty, które mięśnie muszą wystrzelić, kiedy i o ile? Instrukcje wypalania są skomplikowane i to nie tylko ze względu na dużą liczbę zaangażowanych mięśni tułowia, barków, ramion i palców. Gdy powoli pijesz herbatę, te instrukcje zmieniają się, ponieważ zmienia się waga filiżanki. Aby zrobić coś innego, na przykład podrapać się w nos, instrukcje są zupełnie inne.

Zamiast po prostu wypróbowywać różne wzorce wypalania na sparaliżowanych mięśniach w nadziei na znalezienie takiego, które działa, możesz użyć komputerowe modele układu mięśniowo-szkieletowego, aby je obliczyć. Modele te to matematyczne opisy działania i interakcji mięśni, kości i stawów podczas ruchu. W symulacjach można wzmocnić lub osłabić mięśnie, „sparaliżować” lub „zewnętrznie pobudzić”. Możesz szybko i bezpiecznie testować różne schematy wypalania, a także sprawić, by modelki w kółko podnosiły filiżanki do herbaty – czasami z większym powodzeniem niż inne.

Modelowanie mięśni

Aby przetestować technologię, zespół Keele współpracuje z Centrum FES w Cleveland w USA, gdzie się wszczepiają do 24 elektrod w mięśnie i nerwy uczestników badań. Wykorzystują modelowanie, aby zdecydować, gdzie umieścić elektrody, ponieważ w obecnych systemach FES jest więcej sparaliżowanych mięśni niż elektrod.

Jeśli musisz wybrać, lepiej stymulować podłopatkowy czy nadgrzebieniowy? Czy przy stymulacji nerwu pachowego należy umieścić elektrodę przed czy za gałęzią do teres minor? Aby odpowiedzieć na te trudne pytania, przeprowadzają symulacje z różnymi zestawami elektrod i wybierz ten, który pozwala modelom komputerowym wykonywać najbardziej efektywne ruchy.

{youtube}1GKfWow6aFA{youtube}

Obecnie zespół pracuje nad ramieniem, które jest stabilizowane przez grupę mięśni zwaną mankietem rotatorów. Jeśli źle zrozumiesz instrukcję wypalania ramienia, może sięgnąć po łyżkę do zupy zamiast noża do masła. Jeśli instrukcje dotyczące mankietu rotatorów nie będą prawidłowe, ramię może wyskoczyć z barku. Modele komputerowe nie wyglądają dobrze, ale nie narzekają. Uczestnicy badania byliby mniej wyrozumiali.

Wiedza o tym, jak aktywować sparaliżowane mięśnie, aby wykonywać użyteczne ruchy, takie jak chwytanie, to tylko połowa problemu. Musimy również wiedzieć, kiedy aktywować mięśnie, na przykład kiedy użytkownik chce podnieść jakiś przedmiot. Jedną z możliwości jest odczytanie tych informacji bezpośrednio z mózgu. Niedawno, badacze w USA użył implantu do nasłuchiwania poszczególnych komórek w mózgu sparaliżowanej osoby. Ponieważ różne ruchy są związane z różnymi wzorcami aktywności mózgu, uczestnik mógł wybrać jeden z sześciu zaprogramowanych ruchów, które zostały następnie wygenerowane przez stymulację mięśni rąk.

Czytanie mózgu

Był to ekscytujący krok naprzód w dziedzinie protetyki neuronowej, ale wiele wyzwań pozostaje. Idealnie implanty mózgowe muszą działać przez wiele dziesięcioleci – obecnie trudno jest rejestrować te same sygnały nawet przez kilka tygodni, więc systemy te muszą być regularnie kalibrowane. Za pomocą nowe projekty implantów or różne sygnały mózgowe może poprawić długoterminową stabilność.

Ponadto implanty słuchają tylko niewielkiej części milionów komórek kontrolujących nasze kończyny, więc zakres ruchów, które można odczytać, jest ograniczony. Jednakże, kontrola mózgu robotycznych kończyn z wieloma stopniami swobody (ruch, rotacja i chwytanie), a możliwości tej technologii szybko się rozwijają.

Wreszcie, płynne, bezwysiłkowe ruchy, które zwykle przyjmujemy za pewnik, są kierowane przez bogatą informację czuciową, która mówi nam, gdzie znajdują się nasze ramiona w przestrzeni i kiedy nasze palce dotykają przedmiotów. Jednak sygnały te mogą również zostać utracone po kontuzji, więc naukowcy pracują na implantach mózgowych, które pewnego dnia mogą przywrócić czucie i ruch.

Niektórzy naukowcy spekulują, że technologia czytania mózgu może pomóc osobom sprawnym w bardziej efektywnej komunikacji z komputerami, telefonami komórkowymi, a nawet bezpośrednio do innych mózgów. Jednak pozostaje to domeną science fiction, podczas gdy kontrola mózgu w zastosowaniach medycznych szybko staje się kliniczną rzeczywistością.

O Autorach

Dimitra Blana, pracownik naukowy w dziedzinie inżynierii biomedycznej, Keele University

Andrew Jackson, starszy pracownik naukowy Wellcome Trust, Newcastle University

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Konwersacje. Przeczytać oryginalny artykuł.

Powiązane książki

at Rynek wewnętrzny i Amazon