Такая простая вещь, как чашка чая, требует от вашего тела огромных усилий. Мышцы вашей руки срабатывают, чтобы поднять руку к чашке. Мышцы ваших пальцев срабатывают, чтобы разжать руку, а затем сгибают пальцы вокруг ручки. Мышцы плеча не дают руке выскочить из плеча, а основные мышцы следят за тем, чтобы вы не опрокинулись из-за лишнего веса чашки. Все эти мускулы должны работать точно и скоординированно, и все же ваше единственное сознательное усилие – это мысль: "Я знаю: чай!"
Вот почему так сложно заставить парализованную конечность снова двигаться. Большинство парализованных мышц все еще могут работать, но их связь с мозгом была потеряна, поэтому они не получают инструкций о стрельбе. Мы пока не можем восстановить повреждение спинного мозга, поэтому одно из решений – обойти его и дать мышцам инструкции искусственно. А благодаря развитию технологий чтения и интерпретации активности мозга эти инструкции однажды могут исходить прямо из головы пациента.
Мы можем заставить парализованные мышцы срабатывать, стимулируя их электроды, помещенные внутри мышц или вокруг нервов, которые их питают, – метод, известный как функциональная электрическая стимуляция (FES). Помимо того, что он помогает парализованным людям двигаться, он также используется для восстановления функции мочевого пузыря, эффективного кашля и облегчения боли. Это увлекательная технология, которая может иметь большое значение для жизни людей с травмой спинного мозга.
Димитра Блана и ее коллеги из Keele работают над тем, как совместить эту технологию со сложным набором инструкций, необходимых для работы с рукой. Если вы хотите выпить чашку чая, какие мышцы нужно задействовать, когда и на сколько?? Инструкции по стрельбе сложны, и не только из-за большого количества задействованных мышц кора, плеч, рук и пальцев. По мере того, как вы медленно пьете чай, эти инструкции меняются, потому что меняется вес чашки. Чтобы сделать что-то другое, например почесать нос, инструкции совершенно разные.
Вместо того, чтобы просто пробовать различные схемы стрельбы на парализованных мышцах в надежде найти тот, который работает, вы можете использовать компьютерные модели опорно-двигательного аппарата для их расчета. Эти модели представляют собой математическое описание того, как мышцы, кости и суставы действуют и взаимодействуют во время движения. В симуляциях вы можете сделать мышцы сильнее или слабее, "парализован" или "внешне стимулированный". Вы можете быстро и безопасно протестировать различные схемы стрельбы, и вы можете заставить моделей снова и снова брать чайные чашки – иногда более успешно, чем другие.
Моделирование мышц
Чтобы протестировать технологию, команда из Килла работает с Кливлендским центром FES в США, где они имплантируют до 24 электродов в мышцы и нервы участников исследования. Они используют моделирование, чтобы решить, где разместить электроды, потому что в существующих системах FES парализованных мышц больше, чем электродов.
Если нужно выбирать, что лучше стимулировать подлопаточную или надостную мышцу?? Если вы стимулируете подмышечный нерв, следует ли размещать электрод до или после ветви к малой круглой нерве? Чтобы ответить на эти сложные вопросы, они запускают моделирование с разными наборами электродов и выбирают тот, который позволяет компьютерным моделям совершать наиболее эффективные движения.
В настоящее время команда работает над плечом, которое стабилизируется группой мышц, называемой вращающей манжетой. Если вы ошиблись с инструкциями по стрельбе из руки, она может потянуться за суповой ложкой вместо ножа для масла. Если вы неправильно укажете вращающую манжету, рука может выскочить из плеча. Для компьютерных моделей это не лучший вид, но они не жалуются. Участники исследования были бы менее снисходительными.
Знание, как активировать парализованные мышцы для выполнения полезных движений, таких как хватание, – это только половина проблемы. Нам также нужно знать, когда активировать мышцы, например, когда пользователь хочет поднять предмет. Одна из возможностей – прочитать эту информацию прямо из мозга. Недавно исследователи в США использовали имплант для прослушивания отдельных клеток мозга парализованного человека. Поскольку разные движения связаны с разными паттернами мозговой активности, участник мог выбрать одно из шести заранее запрограммированных движений, которые затем генерировались стимуляцией мышц рук.
Чтение мозга
Это был захватывающий шаг вперед в области нейропротезирования, но многие проблемы остаются. В идеале мозговые имплантаты должны прослужить много десятилетий – в настоящее время трудно записывать одни и те же сигналы даже в течение нескольких недель, поэтому эти системы необходимо регулярно калибровать. Использование новых конструкций имплантатов или других сигналов мозга может улучшить долгосрочную стабильность.
Кроме того, имплантаты слушают только небольшую часть из миллионов клеток, которые контролируют наши конечности, поэтому диапазон движений, которые могут быть считаны, ограничен. Тем не менее, управление мозгом роботизированных конечностей с несколькими степенями свободы (движение, вращение и хватание) было достигнуто, и возможности этой технологии быстро развиваются.
Наконец, плавные движения без усилий, которые мы обычно принимаем как должное, управляются богатой сенсорной обратной связью, которая сообщает нам, где находятся наши руки в пространстве и когда кончики наших пальцев касаются объектов. Однако эти сигналы также могут быть потеряны после травмы, поэтому исследователи работают над мозговыми имплантатами, которые однажды могут восстановить ощущения, а также движение.
Некоторые ученые предполагают, что технология чтения мозга может помочь здоровым людям более эффективно общаться с компьютерами, мобильными телефонами и даже напрямую с другими мозгами. Однако это остается областью научной фантастики, тогда как управление мозгом для медицинских приложений быстро становится клинической реальностью.