Технология протезов, управляемых мыслью, будоражит умы ученых и открывает едва ли не киберпанковские перспективы, в которых события последних двух Deus Ex кажутся едва ли не пророческими. Сложность в том, что такие устройства работают при имплантации электродов в нервную систему или в мозг ампутанта. Новая технология предлагает изящное решение с крошечными инертными магнитами.
То, как человечество ищет и предлагает решения, связанные с ампутацией, показывает, насколько гибкая и целеустремленная наша природа. Нет разницы, какой именно инструмент ты используешь, если здесь и сейчас и в долгосрок, он приносит наглядные и приятные плоды. Вот про такие инструменты, а также вопросы о природе человека, его эволюции, биохакинге и трансгуманизме, рассказывают материалы сообщества. Подписывайтесь, чтобы не пропустить свежие статьи!
Передача сигналов в киберпротезе и точки старта
Когда человек думает о движении пальцев руки и воспроизводит эту попытку, то электроды распознают нервные сигналы, которые идут от мозга к руке. Интегрированная электроника преобразует эти сигналы в команды, которые передаются на сервоприводы руки и вот уже пальцы двигаются так, как нужно человеку.
Под руководством профессора Кристиана Чиприани ученые из итальянской Scuola Superiore Sant'Anna (Школа передовых исследований Sant'Anna) приступили к разработке более простой, но более эффективной альтернативы. Полученная система была опробована на 34-летнем испытуемом по имени Даниэль, который потерял левую руку в результате несчастного случая в сентябре 2022 года.
Используя МРТ-сканирование и электромиографию – мониторинг электрической активности в мышечной ткани, ученые начали с изучения того, как сокращались мышцы культи левой руки Дэниела, когда он думал о движении пальцев. Частично Дэниел стал хорошим реципиентом, потому что продолжал испытывать фантомное ощущение конечности.
Магниты и киберпротезы
На основе своих наблюдений исследователи имплантировали шесть маленьких магнитов — каждый размером всего в несколько миллиметров — в ключевые мышцы. Затем они предоставили Дэниелу протез руки Mia-Hand, с манжетой из углеродного волокна, надетую на культю руки.
Когда мышцы культи сокращались в ответ на мысли о движении пальцев, датчики магнитного поля в манжете обнаруживали движения имплантированных магнитов. В зависимости от того, какие магниты/мышцы двигались в каком направлении, пальцы руки получали подсказку двигаться соответствующим образом. Нейроуправление для протезов строится на иных принципах.
В проведенных тестах Дэниел открывал банки, пользовался отверткой, закрывал зип-пакеты, работал ножом, а также поднимал и перемещал различные предметы. Он также контролировал силу захвата при работе с хрупкими предметами.
По результатам испытаний киберпротеза
Испытание на первом пациенте прошло успешно. Мы может экстраполировать эти результаты на более широкий спектр ампутаций.
Профессор Кристиан Чиприани.
Больше материалов про мозг, нейропротезы, киберпротезы, новые виды интеллекта или использование частей мозга как серверной стойки – читайте в материалах сообщества. Подписывайтесь, чтобы не пропускать свежие статьи!
Раньше я плотно следил за деятельностью Хью Герра и его проекта по созданию бионических конечностей. Еще в 2014-том году потенциал протезов был весьма высоким. Некоторые уже обеспечивали походку, не отличимую от обычной походки человека. Но пришло время сделать еще один шаг вперед.
Наука предлагает широкие возможности для развития организма. Но передовой край и потенциал технологий – это область философии, предположений, некоего видения будущего. Если вам интересен материал такого толка – добро пожаловать в сообщество.
Нейропротез и его возможности
Новая хирургическая техника для ампутаций ниже колена сохраняет способность человека получать сенсорную обратную связь от оставшихся мышц. При этом остаются нейронные пути. Протез ноги, подключенный к собственной нервной системой ампутанта, обеспечивает более естественную походку.
Больше, чем переставлять ноги
Баки Барнс из Marvel, Сайракс из Mortal Kombat и Газель из франшизы Kingsman. Что общего у этих вымышленных киногероев? Нейропротезы, которыми они владеют с невероятной точностью. К сожалению, реальная жизнь пока еще не догнала видение кинематографа, но находится на верном пути.
Большая часть актуальных протезов ног не обеспечивает обратную связь с нервной системой, как это делает целая конечность. Вместо этого они полагаются на кибернетические датчики и контроллеры, которые двигаются в соответствии с предопределенным алгоритмом походки. Предугадывая поведение человека. Новое исследование MIT в сотрудничестве с Brigham and Women's Hospital приблизило нас к более плотному симбиозу с искусственными конечностями.
Это первое в истории исследование протезов, которое предлагает протез ноги при полной нейронной модуляции. Она и обеспечивает биомиметическую походку.
Хью Герр, профессор медиаискусств и наук в медиалаборатории Массачусетского технологического института, содиректор Центра бионики им. К. Лизы Ян в Массачусетском технологическом институте, ассоциированный член Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте и автор-корреспондент исследования.
Ходьба опосредована сложным нейромеханическим процессом — взаимодействием нервов и мышц.
С нервной стороны, афферентные нейроны переносят сенсорную информацию от кожи или других органов вверх по спинному мозгу в головной мозг.
В головном мозге ассоциативные нейроны решают, как реагировать.
Затем афферентные нейроны отправляют информацию из мозга вниз по спинному мозгу и к мышцам, сообщая им, какое движение выполнять.
Затем идет проприоцепция, которая является способностью тела ощущать движение, действие и местоположение, осознание тела в пространстве. Что актуально при внедрении нейропротезов при квадриплегии.
В целых конечностях проприоцепция обеспечивается биологическими сенсорами в парах мышц, действующих в противовес друг другу, поочередно сокращаясь (называемых агонистами) и растягиваясь (антагонистами).
При обычных ампутациях ниже колена эти мышцы перерезаются, нарушая проприоцепцию и затрудняя для людей управление протезной конечностью, поскольку они не могут точно ощущать, где находится конечность в пространстве. Впрочем, нейроимпланты могут даже помочь устранить ситуацию с параличом.
От хирургии к кибернетике
Готовое решение на практике. Ширина изображения была увеличена с помощью нейросетей для лучшего «встраивания в текст статьи»
Несколько лет назад Хью Герр и его коллеги начали разрабатывать новую хирургическую процедуру, называемую агонист-антагонист мионевральный интерфейс (AMI). Цель процедуры в том, чтобы воспроизвести проприоцепцию в ампутированной конечности и восстановить нормальную походку у ампутантов. Вместо того, чтобы разрывать естественное сопряжение мышц-агонистов и антагонистов, хирурги соединяют их концы, чтобы они могли общаться друг с другом.
При ампутации с помощью АМИ мы пытаемся соединить нативные агонисты с нативными антагонистами физиологическим способом, чтобы после ампутации человек мог двигать фантомной конечностью с физиологическим уровнем проприоцепции и диапазоном движений.
Хью Герр.
Исследование 2021 года показало, что людям с ампутацией ниже колена новая хирургическая техника обеспечивала более точный контроль оставшейся конечности. Уцелевшие мышцы производили электрические сигналы, очень похожие на те, которые производились в целой конечности.
Результат AMI
Схема, по которой протез коммуницирует с мышцами голени
Неожиданно пациенты, которые прошли через процедуру AMI, сообщили о меньшей боли и большем ощущении свободы движения в ампутированных конечностях. В новом исследовании изучалось, могут ли эти электрические сигналы генерировать команды для киберпротеза и поддерживать проприоцептивную обратную связь, которая позволила бы пользователю корректировать свою походку по мере необходимости.
Семь человек, перенесших операцию AMI, сравнивали с семью, перенесшими традиционную ампутацию ниже колена. Всем им дали одну и ту же бионическую конечность, протез с приводной лодыжкой и электродами, прикрепленными к коже, которые воспринимают сигналы электромиографии (ЭМГ) от передней большеберцовой мышцы, которая проходит вдоль внешней стороны голени, и икроножной мышцы. Разница в том, что у пациентов с AMI эти две мышцы были хирургически соединены. Сигналы ЭМГ подавались в роботизированный контроллер, который помогал протезу вычислять, на какой градус согнуть лодыжку, какой крутящий момент применить или какую мощность подать.
Участники исследования были протестированы в различных сценариях ходьбы: по ровной дорожке длиной 10 метров, вверх по склону, вниз по пандусу, вверх и вниз по лестнице и по ровной поверхности, избегая препятствий. Участники с нейропротезным интерфейсом AMI справились лучше. Они ходили примерно с той же скоростью, что люди без ампутации, и легче преодолевали препятствия. Их движения были более естественными, и они могли лучше координировать движения своих протезных и естественных конечностей. Они также могли отталкиваться от земли с той же силой, что и люди без ампутации.
Благодаря нейропротезному интерфейсу AMI мы смогли усилить нейронную сигнализацию, сохранив столько нейронных связей, сколько было возможно. Это позволило восстановить способность человека непрерывно и напрямую контролировать походку, на разных скоростях, по лестницам, склонам и даже при преодолении препятствий.
Хёнгын Сон, научный сотрудник-постдокторант в Media Lab Массачусетского технологического института и ведущий автор исследования.
Насколько хорош новый нейропротез?
Эти результаты были получены, несмотря на то, что сенсорная обратная связь, обеспечиваемая AMI, составляла менее 20% от той, которая работает в ноге среднестатистического человека.
Одним из главных выводов здесь является то, что небольшое увеличение нейронной обратной связи от ампутированной конечности может восстановить значительную бионическую нейронную управляемость, вплоть до того, что вы позволяете людям напрямую нейронно контролировать скорость ходьбы, адаптироваться к различной местности и избегать препятствий. Это шаг на пути к основной цели лаборатории Герра — максимально естественной интеграции человека и его протеза, а не просто создания все более технологически продвинутых бионических конечностей.
Хёнгын Сон, научный сотрудник-постдокторант в Media Lab Массачусетского технологического института и ведущий автор исследования.
Проблема с этим технологического подхода в том, что пользователь никогда не будет чувствовать протез, как часть себя. Он никогда не сможет воспринять протез как часть своего тела, часть себя. Подход, который используем мы, это попытка всесторонне соединить мозг человека с электромеханикой.
Хью Герр.
По словам исследователей, операцию по технологии AMI перенесли около 60 пациентов, и наработки этого процесса можно применять людям с ампутацией руки. Что ж, походу наработки вселенной Deus Ex куда ближе к реальности, чем могло показаться ранее. И нейроинтерфейс человек мозг компьютер может оказаться куда ближе к реальности, чем казалось ранее.
Больше материалов про сознание, возможности расширения потенциала, аугментацию и технологии – читайте в нашем сообществе. Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые статьи!
Поймал как-то раз Иван-дурак золотую рыбку и такой: – Ну всё, сейчас сожру тебя, карась – Не ешь меня, Иванушка, – взмолилась рыбка, – и я исполню любые три твоих желания. – Хочу одну ногу на метр длиннее второй, – не задумываясь выпаливает Иван. – Ты что, идиот? – недоумевает рыбка. – Выполняй, карась, не то сожру. Ничего не оставалось рыбке – исполнила она желание, и стала у Ивана длинная нога. – Теперь хочу, чтобы одна рука стала на метр длиннее другой, – не унимается Иван. – Ты точно идиот, – по прежнему недоумевает рыбка. – Заткнись и выполняй, карась. И в этот раз рыбке пришлось уступить. Исполнила она желание. Стала у Ивана длинная рука. – Осталось последнее желание. Ещё не поздно всё исправить, – предупреждает рыбка. – А теперь хочу квадратную бошку, – приказывает Иван. – Ты совсем идиот? – искренне удивляется рыбка. – Выполнять, не перечить! – злится Иван. Исполнила рыбка и последнее желание. Стала у Ивана квадратная бошка. С большим трудом переложил Иван рыбку в свою длинную руку и швырнул обратно в реку. Тут рыбка высовывает голову из воды и спрашивает: – Скажи, Иван, зачем всё это? Ты ведь мог пожелать богатства и власти. Не отвечает Иван. Просто встаёт с пня, пытается сделать один шаг, но запинается длинной ногой и с разбаху падает на землю, впечатывается квадратной башкой в трухлявую корягу и с трепетом произносит: – ЕЕЕ, АУГМЕНТАЦИИ!!!
Всегда интересовало - что нужно сделать, что бы простому инвалиду (производственная травма) получить такой протез взамен тяжелённого обычного? Тем более, на переферии?
ТАСС сообщил, что 6 июля начата сборка первых российских коленных модулей «Актив 2» с микропроцессорной системой управления. Они разработаны в филиале АО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения» (НПК СПП) в Великом Новгороде (входит в госкорпорацию «Роскосмос»).
Модуль «Актив 2» для протезов был представлен 28 апреля 2022 г. в ФГБУ «Федеральное бюро медико-социальной экспертизы» Минтруда России.
Микропроцессорное управление обеспечивает коленному модулю более быстрое и точное управление по сравнению с традиционными протезами на пневматической или гидравлической системах управления.
Ключевое преимущество электроники — автоматическая подстройка под темпы ходьбы и комфортно и безопасно использовать протез бедра. Причём делается это «на лету», в зависимости от вида активности человека, — медленный или быстрый шаг, переход на бег или мгновенное ускорение, пошли вы ягоды в лес собирать и прочее.
По словам представителей ОИМЭ, следующим этапом совместных работ в Госкорпорации могла бы стать разработка стопы, которая будет работать в связке с «Активом 2». А также другой номенклатуры, необходимой для выпуска высокотехнологичных протезов в России.
Эксклюзивным дистрибутором коленного модуля в России стало ООО «Ортопедическая индустрия Москва Энергия» (входит в периметр предприятий ГК «Роскосмос»). В компании оценивают годовую потребность в нём в до 500 единиц.
Всё реально, вопрос только желания и организации всего процесса. Самое главное теперь — успеть попасть в окно открывшихся возможностей после ухода с российского рынка зарубежных производителей. Потому что частные разработчики протезно-ортопедической продукции тоже не дремлют.