ISTOCK
Ученым из Университета Дьюка и НИУ ВШЭ удалось создать у обезьян искусственное осязание с помощью прямой стимуляции мозга. Их разработки могут использоваться для создания протезов рук, способных передавать тактильные ощущения. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Большинство современных протезов обмениваются информацией с остатками нервов ампутированной конечности, а не с головным мозгом напрямую. Нейропротезы, подключенные прямо к мозгу, позволят восстанавливать функции конечности даже при полном поражении периферической нервной системы — например, при разрыве спинного мозга или при параличе. Кроме этого, получая «обратную связь» от протеза в виде тактильных ощущений, их владельцы смогут контролировать их движение не только визуально. Это повысит точность движений и сделает контроль более естественным и удобным для человека: все-таки в обыденной жизни мы не имеем привычки постоянно следить за своими руками.
С помощью электрической стимуляции участка соматосенсорной коры можно вызывать тактильные ощущения в части тела, связанной с этим участком. Однако осязание само по себе является целой совокупностью различных ощущений, таких как умение различать температуру, вес, давление или шероховатость предметов. Для полноценной имитации тактильного восприятия каждое из этих ощущений нуждается в отдельном изучении.
Ученые из Университета Дьюка и ВШЭ решили выяснить, возможно ли вызвать ощущение шероховатости поверхности предмета при его активном ощупывании, стимулируя соматосенсорную кору мозга.
Они имплантировали двум макакам-резусам электроды в участок соматосенсорной коры — причем, как отмечает Михаил Лебедев, научный руководитель Центра биоэлектрических интерфейсов ВШЭ, у одной электрод был установлен так, чтобы стимулировать зону, ответственную за тактильные ощущения в пальце, а у другой в ноге.
Затем животных усадили напротив экранов и дали джойстики, которыми те управляли курсором в виде пальца виртуальной руки. На экран было выведено два серых прямоугольника, у которых была «шершавая текстура»: вертикальные полоски, которые нельзя было увидеть, но можно было «нащупать» курсором. Когда курсор пересекал полоску, соматосенсорная кора обезьяны стимулировалась через электроды.
Сначала обезьяна управляла курсором с помощью джойстика, а на следующем этапе связь джойстика с курсором разорвали, и испытуемых подключили к виртуальному пальцу через интерфейс «мозг-компьютер-мозг»: сигналы об управлении курсором считывались из мозга. Обезьяну поощряли каждый раз, когда она выбирала самый «шершавый» прямоугольник.
Исследователей отдельно интересовало, сохранится ли способность сравнивать тактильных свойств поверхности при разной скорости ощупывания — это бы значило, что двигательный контроль «синхронизирован» с обратной связью от курсора.
Обе обезьяны уже после первой экспериментальной сессии справлялись с задачей лучше, чем если бы они просто угадывали правильный прямоугольник. При этом скорость ощупывания — т.е. то, как быстро они проводили «рукой-курсором» над квазиосязаемыми объектами — не влияла успешность этого. И, значит, они действительно могли на ощупь различить шероховатость разных прямоугольников.
Следующий эксперимент, уже не с обезьянами, а людьми, проводится в России. «Сейчас это выглядит так, — говорит Лебедев, — человек делает тот же эксперимент, что и обезьяна, только электрод сидит на пальце и стимулирует сам палец. И люди уже могут рассказать, что именно они чувствуют». Над новым проектом работают не только нейрофизиологи из Вышки, Михаил Лебедев и Алексей Осадчий, но и их коллеги из МГМСУ им. Склифософского: Михаил Синкин и Владимир Крылов.
Таким образом исследователи проверяют то, насколько хорошо интерфейс мозг-компьютер-мозг передает разницу в «шершавости» прямоугольников на экране. «Я сам побывал в роли испытуемого, — продолжает ученый, — и в течение десяти минут точность моего ощущения все продолжала улучшаться».
Относительная простота имитации ощущения тактильной текстуры позволит без труда внедрить технологию в уже существующие нейропротезы. Исследователям еще предстоит разобраться в том, как кодировать тактильные ощущения сразу от нескольких рецепторов искусственной конечности, чтобы передавать информацию о более сложных текстурах.
IQ
Автор текста: Анастасия Лобанова