Да помогнем на тялото и мозъка да приемат бионичните крайници и импланти

Бионичните импланти могат да донесат много ползи за хората, но възниква въпросът за това как човешкото тяло и мозък да се адаптират към тези устройства (снимка: CC0 Public Domain)

от Гарет Уилмър

Не толкова отдавна концепцията за бионично човешко същество изглеждаше нереална, но роботизираните костюми, управляваните от мозъка допълнителни крайници и задвижваните от ума инвалидни колички вече са в процес на разработване. Това ни приближава много повече до мечтата за интегриране между човека и машината.

„Това е изключително вълнуващо време за роботизираните технологии и напредъка на науките”, казва професор Тамар Мейкин, която работи в областта на когнитивната невронаука в Кеймбриджкия университет, Обединеното кралство. „Свидетели сме на бионични крайници от сферата на научната фантастика, както и на нестандартни по дизайн протези за крайници, които не изглеждат като части на тялото”.

За някои тази идея може да изглежда леко обезпокоителна. Очевидно роботизираните костюми и бионичните импланти могат да донесат много ползи като медицински изделия, като например за подобряване на протезите. Но освен всичко това биониката и роботизираните помощни системи могат потенциално да разширят възможностите на хората на работното място и да повишат производителността.

Предвид толкова бързия напредък според проф. Мейкин възниква въпросът за това как човешкото тяло и мозък да се адаптират и асимилират тези устройства. „Чувствах се, че съществен елемент, който често бива оставян извън дискусията, е как мозъкът и познавателните умения на потребителите ще установят връзка с изкуствена част на тялото”, казва тя.

Проф. Мейкин ръководи подкрепяния от програма „Хоризонт” проект EmbodiedTech, който изследва такива въпроси, като например колко ефективно човешкият мозък може да поддържа изкуствени части на тялото. Освен това до каква степен мозъкът започва да разпознава изкуствения крайник като част от нечие тяло? Доколко в този случай се разчита на приликата с истински крайник? И по какъв начин мозъкът прилага обратната информация, получена от крайника?

Роботизирани помощни системи

Намирането на отговори на тези въпроси е от основно значение за превръщането на роботизираните помощни системи във възможно най-удобни за използване от потребителите и за да спомогне да се гарантира, че мозъците ни могат да се справят с тях. Има място за подобрение, както сочат някои оценки, тъй като почти половината от хората с ампутирани крайници не използват редовно протезите си.

Проучване, ръководено от екипа на проф. Мейкин, използва функционалния магнитен резонанс (fMRI) както за хора без една ръка, така и за хора с две ръце. Те установяват, че колкото по-редовно се използва протезата, толкова по-силно частта от мозъка, свързана с разпознаването на ръце, реагира на изображения на протези.

Използващите протези освен това имат по-силни нервни връзки между областите, които дават възможност на хората да разпознават и контролират ръцете, което подсказва, че самият мозък се е адаптирал за възприемане на протезата.

Друго проучване установява, че мозъкът на хората, редовно използващи протези, изглежда си представя протезите като отделна категория към ръка или инструмент. Причината за това е, че той реагира по по-сходен начин между различни протези, приличащи на истински ръце, и такива, които не приличат — като например механичната кука — отколкото между тях и ръце или инструменти.

„Различните видове протези се представят по подобен начин една спрямо друга, така че са събрани като една категория”, казва проф. Мейкин. „Мозъкът по никакъв начин не може да бъде излъган да свърже тези протези с биологични ръце”.

Ръце пипала

Проф. Мейкин заявява, че този факт означава, че може да има по-малка нужда от пълно „включване” на протезите, отколкото се е смятало досега, което потенциално разширява възможностите за роботизираните помощни средства.

„Не е необходимо да следваме сляпо решенията, които вече познаваме”, казва тя. „Можем да помислим за изцяло нови материали, като ръце пипала, тъй като това означава, че мозъкът трябва да е способен да ги разпознава и приема точно както бионичните протези, върху които е концентриран дизайнът на протези през последното десетилетие”.

Фактите сочат също така, че има по-голям потенциал за уголемяване на човешкото тяло с допълнителни крайници. Пример за това е роботизираният „трети палец”, чийто дизайн е изработен от колегата ѝ от Кеймбриджкия университет и дизайнер Дани Клод, така че да бъде привързан към ръката под малкия пръст, като се управлява от сензори, прикрепени към палците на краката на ползвателя.

„Не се предполага да имаме шест пръста, но това изглежда приемливо решение, що се отнася до мозъка”, казва проф. Мейкин. „Можете да го използвате, за да държите в готовност друг инструмент, докато заварявате, или ако свирите на китара и трябва да изсвирите невъзможен акорд”.

И наистина, участниците в добро здраве, които се обучават с допълнителния пръст, стават по-умели в използването му и развиват по-силно чувство за принадлежността му към тялото с течение на времето. Лека промяна в представата в мозъка за двигателната функция на ръката след продължително използване обаче подсказва необходимостта от предпазливост.

„Не трябва да изследваме тези технологии отделно от тялото”, казва проф. Мейкин. „Трябва да си даваме много добра сметка за страничните ефекти или ограниченията при засиленото използване на мозъка”.

Взаимодействието човек-машина

В друго, финансирано по програма „Хоризонт” изследване – проектът Living Bionics, се проучват начините за по-добро интегриране на медицински изделия, които взаимодействат директно с нервната система. Такива изделия включват дълбока мозъчна стимулация за болестта на Паркинсон, както и кохлеарни импланти и бионични очи, използвани за лечение на слухови и зрителни разстройства.

„Когато имплантирате устройство, то по същество е много различно от заобикалящите го тъкани”, казва д-р Роберто Портило-Лара, биоинженер в Имперския колеж в Лондон, който работи по проекта. „Опитваме се да разработим интерфейса между тези имплантируеми устройства и физиологичните тъкани”.

Той обяснява, че проблемът с много от сегашните импланти е в това, че в тях се използват метали, които нервната система разпознава като чужди. Това може да предизвика образуването на белег и да изолира импланта, като го компрометира за дълго време и създаде потенциални проблеми с безопасността.

Решението може да е в комбинирането на електронни устройства с обвити в клетки полимери, чиято цел е да имитират състава на биологични тъкани. Те биват пренасяни във вътрешността на мек хидрогел, който може да действа като обвивка за съществуващите устройства или да се използва за създаването на нови.

Покрития за имплантите

„Обединяваме различни технологии от науката за биоматериалите и работим също с неврални стволови клетки, като ги събираме заедно, за да създаваме живи покрития за импланти”, казва д-р Портило-Лара.

Той обяснява, че намирането на точния баланс между синтетични и естествени полимери е от критично значение. „Синтетичните полимери предлагат много предимства, тъй като са надеждни и предсказуеми”, казва д-р Портило-Лара. „Естествените полимери са по-трудни за работа, но са по-сходни с това, с което са свикнали клетките”.

След като започват с по-синтетични смеси в лабораторни тестове, установяват, че те не са много благоприятни за успешното развитие на клетките. Включването на повече естествени полимери с течение на времето обаче допринася за постигането в крайна сметка на по-добро функциониране на покритията.

„Отговорът е прост: когато го правим по-сходно с естествените тъкани, клетките се държат по-добре”, казва той. „Сега съчетаваме най-доброто от двата свята”. Д-р Портило-Лара смята, че по-усъвършенствано тестване може да започне в началото на следващата година.

Както при EmbodiedTech, научното изследване има последици за бъдещите технологии извън клиничната среда — включително за управление на машини, като например електрическите инвалидни колички, с ума. „По-доброто взаимодействие с нервната система има последици за взаимодействието мозък—компютър”, казва д-р Портило-Лара.

Ефекти върху мозъка

Това означава, че е особено важно да разберем какви са възможните ефекти върху мозъка. „Трябва да мислим какво ще се случи, след като тези технологии станат достатъчно достъпни и не само пациенти ще искат да получат един от тези импланти, но и обикновени потребители”.

Д-р Портило-Лара смята, че подобни технологии могат да са готови в рамките на десетилетие, макар че е далеч по-трудно да се прогнозира кога ще станат достъпни, като се вземат предвид проблемите с етиката и правната уредба.

„Приложенията биха били практически неограничени”, казва той. „Има голям брой нововъзникващи приложения, които дори не можем да предвидим в момента, тъй като технологиите за тях не съществуват”.

Изследванията в тази статия са финансирани чрез Европейския научноизследователски съвет (ЕНС) на ЕС. Тя е публикувана за първи път в  Horizon, списанието за изследвания и иновации на ЕС.