Цивилизация
В последнем выпуске журнала Science Translational Medicine представлено прорывное достижение в области нейропротезирования. Это протез руки, который не только может двигаться, но и обладает тактильным чувством. Деннис Соренсен из Дании — первый человек с ампутированной рукой, получивший возможность не только движения, но и ощущения, которого он был лишен в течение девяти лет. Уникальную конструкцию разработали швейцарские итальянские биоинженеры из Института биороботов в Пизе, Института биоинженерии Политехнической высшей школы в Лозанне и других институтов под руководством профессора Сильвестро Мисера.
Они впервые создали протез с сенсорной обратной связью, которая обеспечивает контроль над движением руки.
Реагирующие на давление сенсоры находятся на пальцах бионической руки.
Электрический сигнал от них поступает на четыре электрода, которые хирургическим путем имплантированы в нервы предплечья.
Специальный алгоритм преобразует слабые сигналы от сенсоров и делает их пригодными для распознавания нервной системой. Таким образом, возникает сенсорная обратная связь.
«Мы беспокоились, что за девять лет, в течение которых сенсорные нервы Денниса не работали, они утратили чувствительность», — говорит Станиса Распопович, первый автор статьи. Но опасения авторов не подтвердились, тактильное чувство пациента успешно восстановилось.
36-летний Соренсен потерял левую руку девять лет назад из-за несчастного случая с праздничным фейерверком. Он носил бионический протез, который уже был достаточно совершенным: реагировал на движение мышц предплечья, позволяя сжимать и разжимать ладонь и удерживать объекты. Однако без сенсорной обратной связи с нервной системой Соренсен не мог чувствовать предмет, который он держит, и был вынужден постоянно смотреть на него, чтобы не выронить.
В январе 2013 года Соренсен перенес операцию, которую провели в больнице Джемелли в Риме. Специализированная бригада хирургов и неврологов под руководством доктора Паоло Мария Россини имплантировала ему так называемые транснейральные электроды в сенсорные нервы левой руки. Затем эти электроды специалисты соединили с протезом. После операции ученым надо было убедиться в том, что электрическая передача не нарушилась при заживлении операционных швов и образовании рубцовой ткани.
При испытаниях чувствующего протеза пациенту завязали глаза. Он должен был на ощупь определить форму и жесткость различных объектов, различить круглые и квадратные, мягкие и жесткие предметы.
Испытания прошли успешно: Соренсен отличал шар от бутылки, апельсин — от бейсбольного мяча.
На сегодня конструкторы создали лишь прототип чувствующей искусственной руки, поэтому сенсоры и электроды после испытания пока изъяли из протеза. До коммерческого производства таких протезов еще годы и годы. На следующем этапе инженерам предстоит миниатюризовать сенсорную электронику. Кроме того, они будут работать над увеличением тактильного разрешения и тонкой настройкой для распознавания сложной формы.
Чувствующая искусственная рука — это большой шаг вперед по сравнению с искусственной рукой человека-киборга Найджела Экланда, которую тот демонстрировал в Москве, о чем можно прочитать в «Газете.Ru».
Его искусственная рука вращает кистью, сгибает по отдельности каждый палец и может даже то, на что не способна обычная человеческая рука, — поворачивать запястье на 180 градусов. Но ощущать эта рука не может.
Не отстают и современные бионические протезы ног. Их движение управляется по нервам, поэтому они угадывают намерение хозяина повернуть направо или подняться на ступеньку. На одном таком протезе, о котором писала «Газета.Ru», человек сумел подняться на 103-й этаж чикагского небоскреба. Принцип действия этого протеза заключается в регистрации сенсорами электромиографических сигналов, возникающих в мышцах бедра и говорящих ноге, что ей делать дальше. Первый же бионический протез ноги появился два года назад, он позволял хозяину подниматься по лестнице и ездить на велосипеде. В его коленной чашечке находится микропроцессор и четыре датчика, которые собирают информацию о движении тела, распределении веса и угле наклона. А группа инженеров из Университета Вандербильта создали биопротез с управляемыми суставами колена и лодыжки. Это обеспечивается сложной системой сенсоров, в том числе гироскопов и измерителей ускорения и массой другой электроники. Но все эти биопротезы не обладают тактильным ощущением, в отличие от последнего создания итальянских и швейцарских специалистов.
Что касается нашей страны, то до создания бионических протезов конечностей еще весьма далеко. Хотя в этом направлении ведутся разработки мозг-компьютерных интерфейсов в лаборатории доктора биологических наук Александра Каплана на биологическом факультете МГУ. Например, имеется мозг-компьютерный интерфейс, при помощи которого можно набирать текст на мониторе одними глазами. Другой интерфейс позволяет управлять миниатюрным роботом, просто глядя ему в глаза. И то и другое работает на основе записи электроэнцефалограммы человека, считывая которую система преобразует электрические сигналы в те или иные действия. Эти технологии фактически попытки создать для мозга дополнительный искусственный выход, в обход мышц. Они могут дать возможность полностью парализованному человеку общаться с другими людьми и управлять внешними манипуляторами.
Своим мнением о создании чувствующего протеза руки Александр Каплан поделился с «Газетой.Ru».
— Как вы оцениваете появление чувствующего протеза?
— Уже несколько лет существуют коммерческие образцы клинических протезов, которые могут перехватывать команды мозга для управления движением. Это делается разными способами, эти команды можно перехватывать прямо с мышц целой части конечности, можно перехватывать с нервов, которые идут к этой конечности, и можно перехватывать от мозга. Тем или иным образом эти протезы уже работают, и часть их просто продается на рынке.
Но слабиной всех этих протезов было то, что человек не мог прочувствовать, как же он сжимает кисть, например с каким усилием он берет тот или иной предмет.
Понятно, что при таком условии человек не может качественно манипулировать объектами внешней среды: можно что-то сломать, можно что-то не удержать. Даже если на протез поставить датчики давления, то куда передать эту информацию, если нет каналов прямой связи с мозгом? Поэтому до сих пор инженеры старались использовать информацию от датчиков в электронных сетях самого протеза — искусственная рука должна была сама понимать, насколько велико усилие. Но это чувство не касалось самого человека.
И вот наконец первое удачное исследование на реальном пациенте. Искусственные датчики прикосновения и усилия, встроенные в пальцы, подсоединили непосредственно к нервам. Казалось бы, идея простая, но не так все просто. Нервные волокна — это проводники, несущие не просто ток, а сигнал с определенной кодировкой. И попробуйте создать точно такую же кодировку, которую раньше давали естественные рецепторы пальцев. Это довольно сложный код.
Сейчас исследователи умудрились таким образом подать стимуляцию на нервы, чтобы человек почувствовал это как реальное усилие от пальцев.
Нельзя сказать, что сейчас человек чувствует ровно то, что раньше чувствовал от естественных рецепторов. Но они приблизились настолько, что человек может научиться воспринимать эти ощущения и довольно ловко пользуется ими.
— Как вы считаете, какие перспективы у этого направления? Специалисты говорят, что не за горами создание протеза всего человеческого тела.
— Да, этот протез, о котором мы говорили, не только получает команды от мозга, но и дает мозгу обратную информацию. Это шаг в направлении создания очень естественных заменителей частей тела. Мы уже давно приспосабливаем к телу разные протезы, начиная с очков — это тоже протез. Огромное число людей ходят с искусственными суставами, мы этого даже не замечаем. Сейчас идет работа над возможностью заменять вышедшие из строя органы — почку, сердце. Сейчас уже есть прототипы таких искусственных органов, которые встраиваются в тело.
Поэтому, конечно, рано или поздно мы получим возможность замещения любых органов человека. И возникнет вопрос, останется ли он человеком.
Но пока у человека остается собственный мозг, который является носителем личности человека, его знаний, памяти, — это человек, даже если у него большая часть органов заменена на протезы. Естественно, это выбор каждого человека, согласиться ли с таким протезированием. Но дальше это будет вопрос не столько развития технологий, сколько морально-этических проблем.