211service.com
Sklandžiai susilieja žmogus ir mašina
Naujas implantas su raumenų ląstelėmis galėtų geriau integruoti protezuotas galūnes su kūnu, todėl amputuoti asmenys galėtų geriau valdyti robotų priedus. Mičigano universitete sukurta konstrukcija susideda iš mažyčių kaušelių, pagamintų iš elektrai laidžio polimero, kurie priglunda prie nervų galūnėlių ir pritraukia nupjautus nervus. Tada iš nervo gaunami elektriniai signalai gali būti išversti ir naudojami galūnei perkelti.
Gyva sąsaja: Raumenų ląstelės (parodytos čia) auginamos ant biologinio karkaso. Nupjauti nervai, likę iš prarastos galūnės, jungiasi prie sąsajos raumenų ląstelių, kurios perduoda elektrinius signalus, kurie gali būti naudojami dirbtinei rankai valdyti.
Atrodo, kad tai galėtų būti elegantiškas būdas valdyti protezą smulkiais judesiais, sako Rutledge Ellis-Behnke, MIT mokslininkas, nedalyvavęs tyrime. Užuot turėję didelį kvailą plastiko gabalą, pririštą prie rankos, iš tikrųjų galėtumėte turėti integruotą įrankį, kuris jaučiasi tarsi kūno dalis.
Šiandien daugumos protezų judėjimas yra sudėtingas ir ribotas. Galūnės valdomos sąmoningu likusių raumenų judėjimu – pavyzdžiui, naudotojas gali sutraukti krūtinės raumenį, kad judėtų ranka tam tikra kryptimi. Likutinių nervų prijungimas tiesiai prie dirbtinių galūnių būtų intuityvesnis būdas juos valdyti. Tačiau pastangoms sukurti periferinių nervų sąsajas daugiausia trukdė rando audinio augimas, kuris riboja implantuotų prietaisų naudingumą ir ilgaamžiškumą.
Iki šiol sėkmingiausias protezo valdymo metodas yra chirurginė procedūra, kurios metu nervai, kurie anksčiau buvo pritvirtinti prie prarastos rankos ir rankos raumenų, persodinami į krūtinę. Kai nešiotojas galvoja apie rankos judinimą, krūtinės raumenys susitraukia ir tie signalai naudojami galūnei valdyti. Nors tai yra didžiulis patobulinimas, palyginti su esamais metodais, šis metodas vis dar suteikia ribotą kontrolės lygį – tik apie penkis nervus galima persodinti į krūtinę.
Nauja sąsaja, sukurta plastikos chirurgo Paulius Cederna ir kolegos, remiasi šia koncepcija, naudodama persodintas raumenų ląsteles kaip taikinius, o ne nepažeistus raumenis. Nupjovus galūnę, iš pradžių prie jos prisirišę nervai toliau dygsta, ieškodami naujo raumens, su kuriuo galėtų susijungti. (Šis biologinis procesas kartais gali sukelti skausmingus nervinio audinio raizginius, vadinamus neuromomis, nupjautos galūnės gale.) Nervas nuolat siunčia signalus pasroviui, kad nurodytų rankai, ką daryti, net jei rankos nėra, sako jis. Cederna. Mes galime interpretuoti tuos signalus ir panaudoti juos protezavimui.
Sąsają sudaro maža, maždaug dešimtosios milimetro skersmens, panašios į taurelę struktūra, kuri chirurginiu būdu implantuojama nervo gale, perduodanti motorinius ir jutimo signalus iš nervo į protezą. Puodelio viduje yra biologinio audinio karkasas, apsodintas raumenų ląstelėmis – kadangi motoriniai ir jutimo nervai jungiasi su raumenimis sveikame audinyje, raumenų ląstelės yra natūralus taikinys klaidžiojančioms nervų galūnėms. Nupjautas nervas įauga į kaušelį ir susijungia su ląstelėmis, perduodamas elektrinius signalus iš smegenų. Kadangi puodelis yra padengtas elektrai aktyviu polimeru, jis veikia kaip laidas, kuris paima elektros signalus ir perduoda juos roboto galūnei. Cedernos komanda patys nekuria protezų, tačiau jis sako, kad signalai gali būti perduodami naudojant esamą belaidę technologiją.
Iki šiol mokslininkai išbandė sąsają su graužikais, kurių periferinis nervas buvo nutrauktas, parodydami, kad nervas įaugs į kaušelį ir užmegs ryšius su raumenų ląstelėmis. Jei jie gali išlaikyti nepažeistą neurono galą toje srityje, tai yra didelis laimėjimas, sako Ellis-Behnke. Žiurkių nervai yra maždaug tokio pat dydžio, kaip tie, kurie būtų nukreipti į žmones. Tyrimas buvo pristatytas šiandien konferencijoje Amerikos chirurgų koledžas Čikagoje.
Prietaisas taip pat gali grąžinti jutimą į jutimo nervus, kurie perduoda šilumą, slėgį ir kitą informaciją iš odos į smegenis. Kaip ir motoriniai nervai, jutimo nervai jungiasi su taurėje esančiomis raumenų ląstelėmis. Atliekant bandymus su graužikais, mokslininkai apribojo du vieno gyvūno nervus – vieną motorinį ir vieną sensorinį. Nors žiurkė neturėjo protezo, mokslininkai sugebėjo parodyti, kad implantas gali sujungti nupjautą nervą ir per jį perduoti nervinius pranešimus; kutenant žiurkės pėdą, implante suaktyvėjo raumenų ląstelių veikla.
Sensoriniai gebėjimai yra pagrindinė trūkstama šių dienų protezų sudedamoji dalis – lytėjimo, slėgio ir temperatūros grįžtamasis ryšys yra labai svarbūs norint paimti trapų kiaušinį ar karštą keptuvę. Galiausiai galūnių protezavimas galėtų būti aprūpintas šilumos ar slėgio jutikliais, kurie galėtų perduoti šią informaciją į raumenų ląsteles sąsajoje ir leisti šią informaciją siųsti į smegenis.
Tyrimas vis dar yra pradiniame etape, todėl dar reikia atsakyti į keletą klausimų. Turime išsiaiškinti, per kiek laiko jungtys taps funkcionalios ir koks bus patvarumas bei tvirtumas, sako Josephas Pancrazio , Nacionalinio neurologinių sutrikimų ir insulto instituto programos direktorius, kuris tyrime nedalyvavo. Bet atrodo labai jaudinančiai. Tyrimą finansuoja Gynybos departamentas.
Viena iš pagrindinių problemų, susijusių su neuroniniais implantais iki šiol, buvo prietaisų stabilumas, nes implantuoti elektrodai dažnai padengia randų audinį ir nustoja veikti. Iki šiol per šešis mėnesius, kol mokslininkai vertino žiurkių sąsajas, nebuvo jokių randų požymių. Nors mokslininkai nėra tikri, kodėl, gali būti, kad kaušelis apsaugo implantą nuo uždegiminių reakcijų, dėl kurių atsiranda randų, arba kad nervų ląstelių taikinys visiškai slopina šias reakcijas, atkurdamas įprastesnę aplinką nupjautam nervui. Dabar mokslininkai kasdien stebi implantus, kad nustatytų jų patvarumą laikui bėgant.
Tačiau vienas ypač daug žadantis ankstyvas atradimas yra tas, kad sąsają supantis audinys augina naujas kraujagysles, kad galėtų maitinti implantuotas raumenų ląsteles ir aprūpinti jas maistinėmis medžiagomis, kurių reikia išgyventi.
Dar neaišku, kiek šių nervinių dangtelių pacientų prireiks, kad būtų galima tinkamai valdyti sudėtingą dirbtinę galūnę. Pavyzdžiui, žmogui, praradusiam ranką pečių lygyje, reikia pakankamai nervinių dangtelių, kad sulenktų ir ištiestų alkūnę, riešą ir pirštus bei jutimo nervus. Vienintelė riba, sako Cederna, bus tai, kaip aukštųjų technologijų jie gali pagaminti protezavimą.