Да помогнем на тялото и мозъка да приемат бионичните крайници и импланти
Изкуствени крака, импланти и спомагателни палци възвръщат и допълват естествените качества на тялото ни, само че по какъв начин мозъкът и нервната система одобряват тези нови елементи?
От ГАРЕТ УИЛМЪР
Не толкоз от дълго време концепцията за бионично човешко създание изглеждаше нереална, само че роботизираните костюми, ръководените от мозъка спомагателни крака и задвижваните от мозъка инвалидни колички към този момент са в развой на създаване. Това ни доближава доста повече до фантазията за консолидиране сред индивида и машината.
„ Това е извънредно вълнуващо време за роботизираните технологии и напредъка на науките “, споделя професор Тамар Мейкин, която работи в региона на когнитивната невронаука в Кеймбриджкия университет, Обединеното кралство. „ Свидетели сме на бионични крака от сферата на научната фантастика, както и на ексцентрични по дизайн протези за крака, които не наподобяват като елементи на тялото. “
За някои тази концепция може да наподобява леко притеснителна. Очевидно роботизираните костюми и бионичните импланти могат да донесат доста изгоди като медицински произведения, като да вземем за пример за възстановяване на протезите. Но с изключение на всичко това биониката и роботизираните помощни системи могат евентуално да разширят опциите на хората на работното място и да покачат продуктивността.
Предвид толкоз бързия прогрес съгласно проф. Мейкин поражда въпросът за това по какъв начин човешкото тяло и мозък да се приспособяват и асимилират тези устройства. „ Чувствах се, че значителен детайл, който постоянно бива оставян отвън полемиката, е по какъв начин мозъкът и познавателните умения на потребителите ще открият връзка с изкуствена част на тялото “, споделя тя.
Проф. Мейкин ръководи подкрепяния от стратегия „ Хоризонт “ план EmbodiedTech, който изследва такива въпроси, като да вземем за пример какъв брой дейно човешкият мозък може да поддържа изкуствени елементи на тялото. Освен това доколко мозъкът стартира да разпознава изкуствения крак като част от нечие тяло? Доколко в този случай се разчита на приликата с същински крак? И по какъв метод мозъкът ползва противоположната информация, получена от крайника?
Роботизирани помощни системи
Намирането на отговори на тези въпроси е от главно значение за превръщането на роботизираните помощни системи във допустимо най-удобни за потребление от потребителите и с цел да спомогне да се подсигурява, че мозъците ни могат да се оправят с тях. Има място за усъвършенстване, както сочат някои оценки, защото съвсем половината от хората с ампутирани крака не употребяват постоянно протезите си.
Проучване, ръководено от екипа на проф. Мейкин, употребява функционалния магнитен резонанс (fMRI) както за хора без една ръка, по този начин и за хора с две ръце. Те откриват, че колкото по-редовно се употребява протезата, толкоз по-силно частта от мозъка, обвързвана с разпознаването на ръце, реагира на изображения на протези.
Използващите протези също така имат по-силни нервни връзки сред областите, които дават опция на хората да разпознават и управляват ръцете, което подсказва, че самият мозък се е приспособил за разбиране на протезата.
Друго изследване открива, че мозъкът на хората, постоянно употребяващи протези, наподобява си показва протезите като обособена категория към ръка или инструмент. Причината за това е, че той реагира по по-сходен метод сред разнообразни протези, наподобяващи на същински ръце, и такива, които не наподобяват — като да вземем за пример механичната кука — в сравнение с сред тях и ръце или принадлежности.
„ Различните типове протези се показват по сходен метод една по отношение на друга, тъй че са събрани като една категория “, споделя проф. Мейкин. „ Мозъкът по никакъв метод не може да бъде измамен да свърже тези протези с биологични ръце. “
Ръце пипала
Проф. Мейкин декларира, че този факт значи, че може да има по-малка потребност от цялостно „ включване “ на протезите, в сравнение с се е считало до момента, което евентуално уголемява опциите за роботизираните помощни средства.
„ Не е належащо да следваме сляпо решенията, които към този момент познаваме “, споделя тя. „ Можем да помислим за напълно нови материали, като ръце пипала, защото това значи, че мозъкът би трябвало да е кадърен да ги разпознава и приема тъкмо както бионичните протези, върху които е съсредоточен дизайнът на протези през последното десетилетие. “
Фактите сочат също по този начин, че има по-голям капацитет за увеличаване на човешкото тяло с спомагателни крака. Пример за това е роботизираният „ трети палец “, чийто дизайн е направен от сътрудника ѝ от Кеймбриджкия университет и дизайнер Дани Клод, тъй че да бъде завързан към ръката под дребния пръст, като се ръководи от датчици, прикрепени към палците на краката на ползвателя.
„ Не се допуска да имаме шест пръста, само че това наподобява задоволително решение, що се отнася до мозъка “, споделя проф. Мейкин. „ Можете да го употребявате, с цел да държите в подготвеност различен инструмент, до момента в който заварявате, или в случай че свирите на китара и би трябвало да изсвирите неосъществим акомпанимент. “
И в действителност, участниците в положително здраве, които се образоват с спомагателния пръст, стават по-умели в потреблението му и развиват по-силно възприятие за принадлежността му към тялотос течение на времето. Лека смяна в визията в мозъка за двигателната функционалност на ръката след дълготрайно потребление обаче подсказва нуждата от нерешителност.
„ Не би трябвало да изследваме тези технологии настрана от тялото “, споделя проф. Мейкин. „ Трябва да си даваме доста добра сметка за страничните резултати или рестриктивните мерки при засиленото потребление на мозъка “.
Взаимодействието човек-машина
В друго, финансирано по стратегия „ Хоризонт “ проучване — планът Living Bionics, се изследват методите за по-добро консолидиране на медицински произведения, които взаимодействат непосредствено с нервната система. Такива произведения включват дълбока мозъчна стимулация за заболяването на Паркинсон, както и кохлеарни импланти и бионични очи, употребявани за лекуване на слухови и зрителни разстройства.
„ Когато имплантирате устройство, то всъщност е доста друго от заобикалящите го тъкани “, споделя доктор Роберто Портило-Лара, биоинженер в Имперския лицей в Лондон, който работи по плана. „ Опитваме се да разработим интерфейса сред тези имплантируеми устройства и физиологичните тъкани. “
Той изяснява, че казусът с доста от сегашните импланти е в това, че в тях се употребяват метали, които нервната система разпознава като непознати. Това може да провокира образуването на белег и да изолира импланта, като го компрометира за дълго време и сътвори евентуални проблеми с сигурността.
Решението може да е в комбинирането на електронни устройства с обгърнати в кафези полимери, чиято цел е да имитират състава на биологични тъкани. Те биват пренасяни навътре в мек хидрогел, който може да работи като обвивка за съществуващите устройства или да се употребява за основаването на нови.
Покрития за имплантите
„ Обединяваме разнообразни технологии от науката за биоматериалите и работим също с неврални стволови кафези, като ги събираме дружно, с цел да сътворяваме живи покрития за импланти “, споделя доктор Портило-Лара.
Той изяснява, че намирането на точния баланс сред синтетични и естествени полимери е от сериозно значение. „ Синтетичните полимери оферират доста преимущества, защото са надеждни и предсказуеми “, споделя доктор Портило-Лара. „ Естествените полимери са по-трудни за работа, само че са по-сходни с това, с което са привикнали клетките. “
След като стартират с по-синтетични смеси в лабораторни проби, откриват, че те не са доста удобни за сполучливото развиване на клетките. Включването на повече естествени полимери с течение на времето обаче способства за постигането в последна сметка на по-добро действие на покритията.
„ Отговорът е елементарен: когато го вършим по-сходно с естествените тъкани, клетките се държат по-добре “, споделя той. „ Сега съчетаваме най-хубавото от двата свята “. Д-р Портило-Лара счита, че по-усъвършенствано тестване може да стартира при започване на идната година.
Както при EmbodiedTech, научното проучване има последствия за бъдещите технологии отвън клиничната среда — в това число за ръководство на машини, като да вземем за пример електрическите инвалидни колички, с мозъка. „ По-доброто взаимоотношение с нервната система има последствия за взаимоотношението мозък—компютър “, споделя доктор Портило-Лара.
Ефекти върху мозъка
Това значи, че е изключително значимо да разберем какви са вероятните резултати върху мозъка. „ Трябва да мислим какво ще се случи, откакто тези технологии станат задоволително налични и освен пациенти ще желаят да получат един от тези импланти, само че и елементарни консуматори “.
Д-р Портило-Лара счита, че сходни технологии могат да са подготвени в границите на десетилетие, въпреки че е надалеч по-трудно да се предвижда по кое време ще станат налични, като се вземат поради проблемите с етиката и правната уредба.
„ Приложенията биха били на практика неограничени “, споделя той. „ Има огромен брой нововъзникващи приложения, които даже не можем да предвидим сега, защото технологиите за тях не съществуват. “
Изследванията в тази публикация са финансирани посредством Европейския научноизследователски съвет (ЕНС) на Европейски Съюз. Тя е оповестена за първи път в Horizon, списанието за проучвания и нововъведения на Европейски Съюз.
