Пожатие руки. Поглаживание руки своей девушки. Такие обычные действия – но для парализованного молодого человека это целая веха. И действительно, роботизированная рука, стоящая рядом с его инвалидным креслом, выполняла касание очень медленно и точно – ладонь к ладони. Но Тим Хеммес (Tim Hemmes) заставлял эту руку двигаться всего лишь силой собственной мысли.

Эмоции бьют через край. Впервые за семь лет, прошедших после аварии с участием его мотоцикла, в результате которой его парализовало на все четыре конечности, Хеммес достиг хоть чего-то – даже если это было всего лишь временным достижением, частью месячного научного эксперимента, проводимого в Питтсбургском университете.

«Это не была моя рука, но это был мой мозг, мои мысли. Я что-то двигал,» – говорит Хеммес. «У меня нет слов, чтобы выразить мои чувства на тот момент. Таких слов просто не существует.»

Хеммец, уроженец Пенсильвании, лишь один из тех, кто первым испытывает на себе управляемые силой мысли протезы, призванные сделать парализованных более независимыми от других людей – самостоятельно питаться, поворачивать дверную ручку, обнимать любимого человека.

Целью эксперимента является слияние разума и машины (как в фильме Звездный путь), сочетающее в современную человекоподобную бионическую руку – даже пальцы сгибаются, как настоящие – и имплантированные в мозг микрочипы. Эти электроды улавливают электрические сигналы из клеток головного мозга, которые управляют перемещениями. В обход поврежденного спинного мозга они переключают эти сигналы на роботизированную третью руку.

От выхода на рынок это исследование пока отделяют годы работы, но многочисленные группы ученых усердно трудятся над изучением различных методов, которые могли бы быть использованы в данной разработке.

В Питтсбурге обезьяны уже научились самостоятельно есть зефир, приводя в действие роботизированную руку силой мысли. В Университете Дьюка обезьяны использовали свои мысли, чтобы перемещать виртуальные руки на компьютере, и получали обратную связь, позволяющую им различать текстуру того, что они «трогают».

С помощью проекта, известного как BrainGate, и других исследований несколько парализованных людей, в мозг которых вживили электроды, смогли использовать свой разум, чтобы работать на компьютере и даже выполнять простые движения рукой-протезом.

Но разве могут эти нейропротезы предложить сложные, быстрые движения, которые нужны будут людям для более практичного, ежедневного использования?

«Мы сейчас находимся на переломной точке этой технологии,» – говорит Майкл МакЛофлин (Michael McLoughlin) из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса, который разрабатывает человекоподобную руку в проекте стоимостью 100 млн.долларов — проекте, финансируемом DARPA, научно-исследовательским агентством Пентагона.

В течение двух ближайших лет Питтсбург будет помогать проводить ряд финансируемых правительством исследований (за которыми очень пристально наблюдают) в попытке что-нибудь открыть. Группа добровольцев-тетраплегиков будет тренировать свой мозг, чтобы управлять рукой DARPA все более и более сложными способами. Так, они даже будут использовать имплантированные в пальцы рук датчики, чтобы попытаться почувствовать то, до чего они дотрагиваются, в то время как ученые будут исследовать, какие электроды работают лучше всего.

«Представьте себе все суставы, которые находятся в вашей руке. Вокруг всех этих суставов можно совершить 20 движений,» – говорит питтсбургский нейробиолог Эндрю Шварц (Andrew Schwartz). «Это не просто дотягивание до чего-то и его захват. Мы хотим, чтобы они могли использовать пальцы, над которыми мы так усиленно трцдимся.»

Задачей 30-летнего Хеммеса была намного проще: он должен был совершить самый первый шаг в этом эксперименте. Он проверял, может ли новый тип чипа (который в целях безопасности Управление по контролю за продуктами и лекарствами позволило имплантировать в его мозг на срок не более месяца) позволить выполнить пространственные перемещения руки.

Он удивил ученых за сутки до того, как ему должны были удалить электроды. Роботизированная рука зажужжала, когда Хеммес мысленно толкнул ее вперед, и нерешительно уткнулась в ладонь ученого. Затем девушка Хеммеса подозвала его к себе. В комнате воцарилась тишина. Хеммес снова с усилием поднял черную металлическую руку и медленно несколько раз провел ладонью по ладони девушки.

Эти эмоциональные роботизированные касания вдохновили ученых, и теперь они набирают команду добровольцев для предстоящих годовых экспериментов.

«Это было потрясающе-ужасающе,» – ненаучными фрзами комментирует увиденное д-р Майкл Бонингер (Dr. Michael Boninger, руководитель отделения реабилитации медицинского центра при Питссбургском университете. «Взаимодействовать с человеком подобным образом. … Это только начало.»

История Хеммеса началась в 2004 году. Он был владельцем магазина автозапчастей, а в свободное время гонял на своем мотоцикле. Однажды летним вечером он вильнул в сторону, чтобы пропустить оленя. Его мотоцикл врезался в ограждение. Шея Хеммеса сломалась.

Но его решимость – нет. Парализованный ниже плеч, он пытался выполнять другие экспериментальные процедуры в надежде, пока не осуществившейся, вернуть хоть какие-то функции своим рукам.

«Я всегда говорю людям, как великолепны ваши ноги … хотя они просто переносят вас от одного места к другому,» — говорит Хеммес, пока его помощник ждет парня, чтобы покормить его чизбургером у его дома в Батлере, на севере Питтсбурга. «Ваши руки, и пальцы, и кисти делают абсолютно все. Я должен вернуть себе это, я просто обязан.»

Его заветная мечта — обнять свою восьмилетнюю дочь. «Я сделаю все, что потребуется, и буду делать так долго, сколько нужно, чтобы только снова обнять ее.»

Хеммес появился в операционной Медицинского центра Питтсбурского университета, как возбужденный комок нервов.»Это хорошее возбуждение,» – говорит он. » От этого эксперимента зависит слишком многое.»

Подумайте: «Я хочу это яблоко,» и ваша рука потянется и возьмет его. Вы не задумываетесь о нейронах, которые мгновенно выстраиваются в модели, которые посылают команды вниз к спинному мозгу – заставить плечо поднять руку, распрямить локоть, согнуть запястье и все пять пальцев.

Очень похожее выстраивание в модели происходит, когда вы представляете движение или наблюдаете за движением, которое хотите совершить, объясняет Бонингер, который вместе со Шварцем руководит группой ученых Питтсбурга и командой биоинженеров, неврологов и терапевтов.

Рука DARPA изначально была разработана для людей с ампутированными руками. Отдельное исследование и сейчас проводится с целью помочь таким людям перемещать руку с помощью трансплантированных нервов, ощущающих команды головного мозга. Однако в отношении парализованных эта задача становится еще более трудной: провести эти сигналы в обход поврежденного спинного мозга.

Для пациентов с четырьмя парализованными конечностями ученые используют имплантируемые электроды, называемые «мозго-компьютерным интерфейсом» (или BCI), для записи этой электрической активности. Сигналы идут вниз по проводам, которые проходят под кожей и выходят рядом с ключицей, после чего подсоединяются к компьютеру или роботизированной руке.

До сих пор ученые, в основном, испытывали миниатюрные электроды, которые втыкают в кору головного мозга и осуществляют запись сигналов от отдельных клеток, предположительно позволяющих совершать точные действия. Следующий пациент-испытатель из Питтсбурга будет иметь два проникающие решетки, имплантированные в различные части коры головного мозга на срок в один год для записи сигналов от 200 клеток.

У Хеммеса, напротив, чип находился на поверхности двигательной области коры его головного мозга – менее инвазивный способ записи сигналов от группы клеток. Размером с две почтовые марки, чип основан на отображении карты распределения электрических сигналов, используемой для отслеживания припадков у эпилептиков.

Оба подхода нуждаются в изучении, говорит Даофен Чен (Daofen Chen) из Национального института здоровья, который осуществляет исследования по нейрореабилитации. Он сравнивает эти подходы с процессом подслушивания разговоров на вечеринке, когда можно либо на каждого участника надеть «жучок», либо установить и настроить у окна одно общее записывающее устройство.

Бонингер добавляет, что рубцовая ткань со временем может затупить проникающие электроды, а поверхностные чипсы, возможно, легче будет преобразовать в беспроводную систему, что важно для коммерческого использования.

Оперирование Хеммеса заняло два часа. Ранее он уже научился представлять движения руки в анализаторах головного мозга, которые помогают видеть, где концентрируются электрические сигналы. Именно там нейрохирург Элизабет Тайлер-Кабара делает надрез, вставляя чип через дюймовое отверстие с левой стороны головы Хеммеса.

Два дня спустя Хеммес расположился перед компьютером, начиная с простых перемещений курсора. На следующей неделе он проверил, может ли он инициировать реальные движения, используя руку DARPA.
Хеммес опускается в свое инвалидное кресло, роботизированная рука прикручена к стальному пруту рядом. Его задача: заставить руку дотянуться до мяча, установленного на шкафу, и взять его.
Рука с жужжанием движется вперед, затем останавливается, затем снова движется, затем неожиданно отдергивается назад.

«Она выполнила действие, противоположное тому, что я просил,» – расстроено восклицает Хеммес. «Когда я думаю о движении назад, она идет вперед.»

Д-р Вей Ванг (Dr. Wei Wang), член команды ученых, наблюдает за моделями в головном мозге Хеммеса на экране стоящего рядом компьютера, пытаясь сопоставить их с роботизированными движениями. Сфокусируйся на своем локте, советует Ванг.

Хемме делает глубокий вдох и пытается. На этот раз рука с жужжанием идет вперед, дотягиваясь до мяча. Пальцы обхватывают его.

«Здесь нет руководства пользователя,» – говорит Хеммес, взволнованный этой сменой движений вперед-назад. «Я тренирую мой мозг предварительно оценивать, как все это выполнить.»

Продолжение эксперимента идет сложнее – мотор рычит, когда рука тянется назад еще до того, как пальцы полностью разжались. Хеммес начинает представлять, как его рука раскрывается перед тем, как отдернуться назад, и рука робота следует его мыслям.

Конечно, роботизированная рука, установленная когда-нибудь на инвалидное кресло, может стать полезной. Но не имеет значения, насколько хорошо сегодня двигаются протезы – все равно у них есть одна проблема: они не чувствуют то, до чего они дотрагиваются. Если все протекает нормально, то мгновенные сообщения быстро передаются от кожи вверх к мозгу, чтобы просто сказать «сожми сильнее», чтобы мы не уронили чашку кофе, или «сжатие достаточное», чтобы мы не сжимали чашку слишком сильно.

Кстати, Хеммес разделяет мечту многих тетраплегиков. Он не хочет иметь бионическую третью руку. Он хочет снова двигать своими собственными руками.

«Всё это научные цели, которые вполне возможно достичь,» – говорит Бонингер.

Восстановление ощущения означает искусственное создание двустороннего пути с помощью таких чипов в головном мозге. Это именно то, что делает Университет Дьюка с двумя обезьянами в своем исследовании, которое было опубликовано на прошлой неделе в журнале Nature. Когда животные «касаются» объектов на экране компьютера своими руками, похожими на руки в видеоиграх, электрические сигналы бегут обратно вверх к имплантированным электродам – различные сигналы для различных текстур, чтобы рассказать об удаленном объекте.

Датчики на кончиках пальцев руки DARPA обеспечивают тот же самый вид обратной связи. МакЛофлин говорит, что этот план рассчитан на одного из пациентов, участвующих в питтсбургском исследовании. Проверка осязательной способности должна начаться в следующем году, после которой последует подобное испытание в Калифорнийском институте технологий.

Что насчет перемещения парализованных конечностей? Дьюкский план рассчитан на то, что текущие исследования впоследствии выльются в роботизированный экзоскелет, который поможет парализованным перемещать своё тело.

Хеммес больше заинтригован тем, что называется функциональной электрической стимуляцией, «прожигающей» мышцы электрическими токами, чтобы заставить их двигаться. По просьбе Хеммеса команда Бонингера попыталась снабдить его кисть перчаткой-стимулятором, которую можно было бы подключать к его электроду. Но попытка оказалась неудачной. Чен из Национального института здоровья говорит, что другие ученые, тем не менее, продолжают работать над таким подходом к проблеме.

Хеммес сравнивал перемещение руки DARPA с обучением вождению машины с ручной коробкой передач. Все это требует практики, но к четвертой неделе он уже двигал рукой в стороны, а также назад и вперед.

Хотя пальцы такой руки все еще сжимаются слишком сильно. Поэтому когда его девушка Кати Шаффер (Katie Schaffer) в последний день испытаний сказала ему: «Я хочу подержать твою руку», Хеммес не осмелился сжать пальцы.

Они встретились уже после аварии, поэтому он никогда раньше не дотрагивался до нее.»Я просто пытался быть нежным. Я не хотел причинить ей боль, и в конце концов я добился успеха,» – рассказывает Хеммес. «Конечно же, был водопад слез.»

Хемес говорит, что он уже был готов отдохнуть от ежедневных научных опытов, поэтому удаление из него электродов и проводов на следующий день не сильно расстроило его. Он уверен, что ученые снова позовут его для эксперимента, как только технологии продвинутся вперед.

«Я верю, что это наше будущее,» – говорит он. «Просто дайте людям надежду – пусть они узнают, на что им надеяться.»

Также вы можете посмотреть два наших предыдущих материала об этом человеке здесь и здесь.

Категория: Управление | Нет комментариев »

Комментарии