Достигая «высокой пятерки», кто-то, захватывая и перемещая объекты разной формы и размеров, кормит себя темным шоколадом. Для Яна Шойерманна и группы исследователей из Школы медицины Университета Питтсбурга и UPMC, выполняя эти, казалось бы, обычные задачи, впервые продемонстрировал, что человек с многолетней квадриплегией может маневрировать управляемой разумом человекоподобной роботизированной рукой в семи измерениях (7D) для последовательного выполнения многих естественных и сложных движений повседневной жизни.
В исследовании, опубликованном в онлайн-версии The Lancet, исследователи описали технологию интерфейса и компьютерного интерфейса (BCI), которая позволила 53-летней Шейерманну из Уайтхолл-Бора в Питтсбурге, штат Пенсильвания, намеренно переместить руку, повернуться и согните запястье, и закройте руку в первый раз за девять лет.
Менее чем через год после того, как она сказала исследовательской группе: «Я собираюсь накормить себя шоколадом, пока это не закончится», – сказала мисс Шойерманн своим вкусом и объявила, что они приветствуют ее подвиг: «Один маленький кусок для женщины, один гигантский укуса для BCI ».
«Это впечатляющий скачок к большей функции и независимости для людей, которые неспособны переместить собственное оружие», – согласился старший исследователь Эндрю Б. Шварц, доктор философии, профессор кафедры нейробиологии Школы медицины Питта. «Эта технология, которая интерпретирует сигналы мозга для руководства роботом, обладает огромным потенциалом, который мы продолжаем исследовать. Наше исследование показало нам, что технически возможно восстановить способность; участники сказали нам, что BCI дает им надежду на будущее ».
В 1996 году г-жа Шойерманн была 36-летней матерью двух маленьких детей, которая провела успешные вечеринки по планированию бизнеса с темами убийства-загадки и жила в Калифорнии, когда однажды заметила, что ее ноги, казалось, тащили за собой. В течение двух лет ее ноги и руки постепенно ослабевали до такой степени, что ей требовалось кресло-коляска, а также помощник, который помогал ей в одежде, еде, купании и других повседневных занятиях. Вернувшись домой в Питтсбург в 1998 году для поддержки ее расширенной семьи, ей поставили диагноз спиноцеребеллярная дегенерация, в которой связи между мозгом и мышцами медленно и необъяснимо ухудшались.
«Теперь я вообще не могу двигать руками и ногами. Я даже не могу пожать плечами, – сказала она. «Но я пришел к выводу, что беспокоиться о чем-то испытывает это дважды. Я стараюсь остановиться на хороших вещах, которые у меня есть ».
Друг указал на видеоролик в октябре 2011 года о другом исследовании Pitt / UPMC BCI, в котором Тим Хеммес, Батлер, штат Пенсильвания, человек, который получил травму спинного мозга, которая оставила его с квадриплегией, переместила объекты на экран компьютера и, в конечном итоге, с рукой робота, чтобы коснуться его подруги.
«Вау, это так здорово, что он может это сделать», – подумала мисс Шойерман, наблюдая за ним. «Жаль, что я не смогу сделать что-то подобное». Она сразу же позвонила начальнику судебного заседания и сказала: «Я – квадриплегия. Приколите меня, подпишите меня! Я хочу это сделать!
10 февраля 2012 года после скрининговых тестов, подтверждающих, что она имеет право на участие в исследовании, соисследователь и нейрохирург UPMC Элизабет Тайлер-Кабара, доктор медицинских наук, доцент кафедры неврологической хирургии, Медицинской школы Питта , разместили две квадратные квадратные квадратные решетки квадратного сечения с 96 крошечными контактными точками каждый в областях мозга г-жи Шейерманн, которые обычно контролируют движение правой руки и руки.
«До операции мы провели функциональные визуализационные тесты мозга, чтобы точно определить, где разместить две сетки», – сказала она. «Затем мы использовали технологию обработки изображений в операционной, чтобы направлять размещение сеток, которые имеют точки, которые проникают через поверхность мозга примерно на одну шестнадцатую дюйма».
Электродные точки собирают сигналы от отдельных нейронов, а компьютерные алгоритмы используются для идентификации шаблонов стрельбы, связанных с конкретными наблюдаемыми или воображаемыми движениями, такими как поднятие или опускание руки или поворот запястья, объяснил ведущий исследователь Дженнифер Коллингер, доктор философии. , доцент кафедры физической медицины и реабилитации (PM & R) и научный сотрудник системы здравоохранения Пенсильвании В.А. Это намерение двигаться затем преобразуется в фактическое движение руки робота, которое было разработано Лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса.
Через два дня после операции команда подключила два терминала, которые выступали из черепа мисс Шойерманн в компьютер. «На самом деле мы могли видеть, как нейроны стреляют по экрану компьютера, когда она думает о закрытии руки», – сказал доктор Коллингер. «Когда она остановилась, они перестали стрелять. Поэтому мы подумали: «Это действительно сработает».
В течение недели мисс Шойерманн могла входить и выходить, левая и правая, и вверх-вниз с рукой, которую она назвала Гектором, давая ей трехмерный контроль, который имел ее высокопоставленный с исследователями. «То, что мы сделали в первую неделю, подумали, что мы застряли в течение месяца», – отметила она.
До того, как прошло три месяца, она также могла сгибать запястье вперед и назад, перемещать его из стороны в сторону и поворачивать его по часовой стрелке и против часовой стрелки, а также захватывать объекты, добавляя к тому, что ученые называют 7D-контролем. В учебной задаче под названием «Испытание на исследование действия» г-жа Шойерман провела руку с позиции на четыре дюйма выше стола, чтобы забрать блоки и трубки разных размеров, шарик и камень и положить их на ближайший лоток. Она также подняла конусы с одной базы, чтобы переустановить их на другую в футах, еще одна задача, требующая цепляния, транспортировки и позиционирования объектов с точностью.
«Наши результаты показывают, что с помощью различных мер она смогла улучшить свою работу последовательно в течение многих дней», – объяснил д-р Шварц. «Методы и алгоритмы обучения, которые мы использовали в моделях обезьян этой технологии, также работали для Яна, предполагая, что люди с долгосрочным параличом смогут восстановить естественные, интуитивные командные сигналы, чтобы сориентировать протезную руку и руку, чтобы обеспечить значимое взаимодействие с окружающая среда.”
В отдельном исследовании исследователи также продолжают изучать технологию BCI, которая использует сетку электрокориграфии (ECoG), которая сидит на поверхности мозга, а не слегка проникает в ткань, как в случае сеток, используемых для мисс Шойерманн.
В обоих исследованиях «мы регистрируем электрическую активность в мозге, и цель состоит в том, чтобы попытаться расшифровать то, что означает эта деятельность, а затем использовать этот код для управления рукой», – сказал старший исследователь Майкл Боннингер, доктор медицины, профессор и председатель, PM & R, и директор Института реабилитации UPMC. «Мы много узнаем о том, как мозг контролирует двигательную активность, благодаря тяжелой работе и преданности наших участников испытаний. Возможно, через пять-десять лет у нас будет устройство, которое можно использовать в повседневной жизни людей, которые не могут использовать свое оружие ».
Следующим шагом для технологии BCI, скорее всего, будет использование двухсторонней электродной системы, которая может не только захватить намерение двигаться, но, кроме того, будет стимулировать мозг создавать ощущение, потенциально позволяя пользователю регулировать силу захвата, чтобы твердо схватить дверную ручку или осторожно колыбелью яйцо.
После этого «мы надеемся, что это может стать полностью имплантированной беспроводной системой, которую люди могут фактически использовать в своих домах без нашего наблюдения», – сказал д-р Коллингер. «Возможно, даже возможно совместить контроль мозга с устройством, которое непосредственно стимулирует мышцы для восстановления движения собственной конечности человека».
На данный момент г-жа Шейерманн, как ожидается, продолжит внедрять технологию BCI через свои шаги еще на два месяца, а затем имплантаты будут удалены в другой операции.
«Это поездка в мою жизнь», – сказала она. «Это американские горки. Это прыжки с парашютом. Это просто потрясающе, и я наслаждаюсь каждой секундой ».