Несколько лет назад группа исследователей, работающая под руководством профессора Станисы Распопович в Лаборатории нейроинженерии ETH Zurich, привлекла внимание всего мира, когда объявила, что их протезы ног впервые позволили людям с ампутированными конечностями чувствовать ощущения от этой искусственной части тела.
В отличие от коммерческих протезов ног, которые просто обеспечивают людям с ампутированными конечностями стабильность и поддержку, протезное устройство исследователей ETH было подключено к седалищному нерву в бедре испытуемых через имплантированные электроды.
Это электрическое соединение позволило нейропротезу взаимодействовать с мозгом пациента, например, передавая информацию о постоянных изменениях давления, обнаруженных на подошве протезной стопы при ходьбе. Это дало испытуемым большую уверенность в своих протезах и позволило им значительно быстрее ходить по сложной местности.
«Нашему экспериментальному протезу ноги удалось вызвать естественные ощущения. Это то, на что современные нейропротезы в основном не способны; вместо этого они в основном вызывают искусственные, неприятные ощущения», — говорит Распопович.
Вероятно, это связано с тем, что современные нейропротезы используют постоянные во времени электрические импульсы для стимуляции нервной системы. «Это не только неестественно, но и неэффективно», — говорит Распопович.
В недавно опубликованной статье в журнале Nature Communications он и его команда на примере своих протезов ног подчеркнули преимущества использования естественной биомиметической стимуляции для разработки нейропротезов следующего поколения.
Модель имитирует активацию нервов подошвы.
Чтобы генерировать эти биомиметические сигналы, Наталия Катич — аспирант исследовательской группы Распоповича — разработала компьютерную модель под названием FootSim. Он основан на данных, собранных сотрудниками из Канады, которые зафиксировали активность естественных рецепторов, называемых механорецепторами, на подошве стопы при прикосновении к различным точкам на стопах добровольцев вибрирующим стержнем.
Модель имитирует динамическое поведение большого количества механорецепторов на подошве стопы и генерирует нервные сигналы , которые направляются по нервам ноги в мозг — с того момента, как пятка касается земли и вес тела начинает уменьшаться. сместитесь вперед к внешней стороне стопы, пока пальцы ног не оторвутся от земли, готовые к следующему шагу.
«Благодаря этой модели мы можем увидеть, как сенсорные рецепторы подошвы и связанные с ней нервы ведут себя во время ходьбы или бега, что невозможно измерить экспериментально», — говорит Катич.
Информационная перегрузка спинного мозга
Чтобы оценить, насколько близко биомиметические сигналы, рассчитанные с помощью модели, соответствуют сигналам, излучаемым реальными нейронами, Джакомо Валле — постдок исследовательской группы Распоповича — работал с коллегами из Германии, Сербии и России над экспериментами на кошках, чья нервная система обрабатывает движения в аналогично тому, как это делает человек. Эксперименты проходили в 2019 году в Институте физиологии имени Павлова в Санкт-Петербурге и проводились в соответствии с соответствующими рекомендациями Европейского Союза.
Исследователи имплантировали электроды, подключив некоторые к нерву ноги, а некоторые к спинному мозгу, чтобы выяснить, как сигналы передаются через нервную систему. Когда исследователи приложили давление к нижней части лапы кошки, тем самым вызвав естественную нервную реакцию, возникающую, когда кошка делает шаг, своеобразный паттерн активности, зарегистрированный в спинном мозге, действительно напоминал паттерны, которые были выявлены в спинном мозге. когда исследователи стимулировали нерв ноги биомиметическими сигналами.
Напротив, традиционный подход постоянной во времени стимуляции седалищного нерва в бедре кошки вызвал заметно иной паттерн активации в спинном мозге. «Это ясно показывает, что широко используемые методы стимуляции заставляют нейронные сети позвоночника переполняться информацией», — говорит Валле. «Эта информационная перегрузка может быть причиной неприятных ощущений или парестезий, о которых сообщают некоторые пользователи нейропротезов», — добавляет Распопович.
Изучение языка нервной системы.
В своем клиническом исследовании с участием людей с ампутированными конечностями исследователи смогли показать, что биомиметическая стимуляция превосходит постоянную во времени стимуляцию. Их работа ясно продемонстрировала, как сигналы, имитирующие природу, давали лучшие результаты: испытуемые не только могли быстрее подниматься по ступенькам, но и делали меньше ошибок в задании, которое требовало от них подниматься по тем же ступенькам, записывая слова задом наперед.
«Биомиметическая нейростимуляция позволяет субъектам концентрироваться на других вещах во время ходьбы», — говорит Распопович, — «поэтому мы пришли к выводу, что этот тип стимуляции обрабатывается более естественно и менее нагружает мозг».
Распопович, чья лаборатория является частью Института робототехники и интеллектуальных систем ETH, считает, что эти новые открытия имеют отношение не только к протезам конечностей, над которыми он и его команда работали более полудесяти лет. Он утверждает, что необходимость перехода от неестественной, постоянной во времени стимуляции к биомиметическим сигналам также применима к целому ряду других вспомогательных средств и устройств, включая спинальные имплантаты и электроды для стимуляции мозга.
