Холодным осенним днем 2020 года радостный голос Скотта Имбри предшествовал его входу в вестибюль седьмого этажа Центра заботы и открытий, ведущей больницы Чикагского университета, расположенной в Гайд-парке. Он поприветствовал команду нейробиологов и врачей и послушно поправил маску перед тем, как начать простой неврологический осмотр.
Пока Имбри шла, отчетливое колебание намекало на то, почему он здесь, но противоречило тому, что ему когда-то говорили: что он никогда больше не сможет ходить или пользоваться руками.
После экзамена, когда он устроился в кресле и надел новую маску – на эту покрытую логотипами его любимых спортивных команд Чикаго – Имбри начал делиться своей историей.
“Я делаю в жизни много вещей, которые мне сказали, что я никогда не смогу”, – сказал он. “Я сломал себе шею в 1985 году, и когда я проснулся, мне сказали, что у меня будет парализованный паралич. Когда они сказали мне это, я знал, что этого не будет.”
Имбри было 19 лет, когда в автомобильной катастрофе ему повредили спинной мозг и парализовало его ниже шеи. Хотя его врачи сказали, что это маловероятно, за несколько месяцев реабилитации он заново научился ходить. Теперь, десятилетия спустя, он снова выходит за рамки медицинских возможностей – на этот раз в качестве объекта уникального исследования, в ходе которого проверяется использование нейропротезных устройств, позволяющих ему ощущать и управлять виртуальной рукой и, в конечном итоге, роботизированным протезом.
В октябре 2020 года Имбри стал первым пациентом в Чикаго и всего лишь четвертым человеком в продолжающемся многоцентровом исследовании, перенесшим деликатную хирургическую процедуру по имплантации специализированных электродов в свой мозг. Эти электроды получают нейронные сигналы от его моторной коры, что позволяет ему управлять рукой и манипулировать ею в среде виртуальной реальности. Они также отправляют сенсорную обратную связь в его мозг, позволяя ему ощущать прикосновение к руке, чтобы он мог «чувствовать» давление и вибрацию.
В конечном итоге команда UChicago Medicine планирует подключить систему к роботизированному протезу руки, чтобы Имбри могла использовать устройство в реальном мире. Уточнение этих исследований и разработка новых передовых нейропротезных устройств предоставит новую свободу парализованным людям или людям, у которых отсутствует конечность.
Исследование является продолжением текущих исследований, проводимых в Университете Питтсбурга и Калифорнийского университета в Чикаго с участием других парализованных пациентов. Исследователи говорят, что цель, как что-то из научно-фантастического фильма, состоит в том, чтобы разработать технологии, которые могут заменить отсутствующие конечности или восстановить осязание и движение для тех, кто парализован. Среди вдохновителей этой работы – Слиман Бенсмайя, доктор философии.D., международный эксперт по тому, как мозг кодирует и использует сенсорную информацию, и Николас Хацопулос, доктор философии.D., лидер в области мозговых основ управления моторикой и обучения.
«Мозг парализованных людей все еще может генерировать сигналы, которые обычно управляют движением, но сигнал не может пройти мимо травмы», – сказал руководитель проекта Джон Дауни, доктор философии.D., научный сотрудник Чикагского университета. “Мы пытаемся определить, как использовать этот сигнал из мозга, чтобы позволить им управлять протезной роботизированной рукой и кистью. И помимо возможности управлять рукой и кистью, мы хотим дать им возможность чувствовать, как будто их собственная рука касается объекта, когда протез касается объекта.”
Создание местной истории
Операция Имбри, проведенная 27 октября 2020 года, была первой процедурой, проведенной в Чикаго. Однако, прежде чем операция могла начаться, команде нужно было определить, где поставить электроды. Для этого Имбри сделали функциональную МРТ, которая включает запись его мозговой активности, пока он воображает, как двигает рукой.
«Операция очень сложная и требует очень точного хирургического вмешательства», – сказал Питер Варнке, доктор медицины, всемирно известный нейрохирург из Калифорнийского университета в Чикаго. «Мы использовали функциональную МРТ, чтобы определить, где эти движения контролируются в головном мозге, и использовали эту информацию для планирования операции, чтобы разместить сотни электродов в нужном месте. Это тщательное нацеливание чрезвычайно важно, потому что эти электроды необходимо было разместить в правильных местах для каждого пальца, чтобы Скотт мог не только оказывать давление, но и ощущать это ощущение, как если бы это была его собственная рука.”
Фактически, функциональная МРТ позволила обеспечить такое точное наведение, что исследователи смогли разместить электроды, вызывающие ощущения, на небольших участках кожи на пальцах Имбри, что значительно упростило настройку сенсорного ввода руки робота в соответствии с тем, что делает рука человека. может чувствовать. Это важно, потому что, как показали прошлые исследования, мозг кажется неспособным корректировать воспринимаемое местоположение прикосновения даже при длительной экспозиции.
Теперь, полностью оправившись от процедуры, Имбри три раза в неделю совершает поездку из своего дома в Уорт, штат Иллинойс, в медицинский кампус Калифорнийского университета в южной части города, где он растягивается в удобном кресле и терпеливо ждет, как выпускник. студенты из лабораторий Bensmaia и Hatsopoulos используют длинные тампоны, чтобы тщательно очистить коннекторы и кожу головы перед подключением устройства. Два черных прямоугольных прямоугольника выглядят как что-то из «Матрицы», что позволяет исследователям легко подключить Имбри к системе виртуальной реальности (VR), которую он учился контролировать с помощью своего разума.
Использование виртуальной реальности
«Манипулировать рукой VR очень увлекательно, потому что, когда я только начал это делать, я пытался двигать собственной рукой», – сказала Имбри. “Теперь я понял, что одна мысль о перемещении значительно улучшает его работу. Иногда, когда я учусь выполнять новое задание с помощью виртуальной руки и кисти, мне приходится думать о том, как бы я двигал настоящую руку и руку, просто чтобы представить это себе, чтобы я мог представить, как выполняю это с помощью виртуальной руки. рука. Иногда я теряю контроль над виртуальной рукой, поэтому напеваю себе под нос или закрываю глаза и думаю, как это сделать. Это увлекательно. Есть много разных методов, которые я пытаюсь заставить работать, когда они не работают так хорошо.”
Во время своих четырехчасовых тестовых сессий Имбри выполняет действия, которые кажутся повторяющимися – с надетой на глаза VR-гарнитурой он использует свой разум, чтобы двигать парящей рукой в среде виртуальной реальности. Для этого упражнения он берет чашку со стола, перемещает ее, чтобы выровнять ее с целью, представленной системой, и ставит обратно. Позже Имбри сконцентрируется на том, как исследователи будут вводить в его мозг сенсорную информацию, поскольку он сообщает о том, где он чувствует это ощущение и на что оно похоже.
«Есть 62 различных канала, которые влияют на мое осязание в разных местах», – объяснила Имбри. “Я чувствую часть этого на поверхности в некоторых местах или, может быть, глубоко, например, под ногтем. И ощущения тоже сильно различаются – например, те, которые находятся на самом верху моего пальца, на поверхности, они ощущаются как скрепка или игла, нажимающая на него. Но этот другой у меня на кончике большого пальца, такое ощущение, что когда я тянусь к вечнозеленым растениям, чтобы вычистить иголки, а они тыкают в меня.”
Даже всего через несколько месяцев после операции Имбри быстро продвинулся в исследовании.
«Скотт прямо сейчас может выполнять множество различных задач, – сказал Дауни. “Он может дотянуться до руки и расположить ее в пространстве, захватывать и перемещать предметы и даже хватать предметы с разной силой. Он также выполняет сенсорные задачи, которые включают в себя стимуляцию его мозга, и он сообщает, каковы ощущения, насколько они сильны, покалывают ли они или ощущают давление. Мы используем это, чтобы точно выяснить, как мы можем изменить способ стимуляции мозга, чтобы изменить ощущения, которые испытывает Скотт, и попытаться создать ощущение, будто его рука касается естественного объекта.”
Все данные этих повторных испытаний затем вводятся в системы моделирования, которые исследовательская группа использует, чтобы помочь усовершенствовать компьютерные программы, которые переводят мысли Имбри в движение и обеспечивают ему осязание. Мы надеемся использовать эту информацию не только для будущей работы с Имбри, но и для будущих исследований и, в конечном итоге, для разработки технологий, которые могут широко и регулярно использоваться людьми с параличом или отсутствием конечностей.
«Все сенсорные сигналы, которые исходят от руки, дают вам информацию об объектах, с которыми вы взаимодействуете, и ваших взаимодействиях с ними», – сказал Бенсмайя. “Наша цель – наделить пользователей этих роботов ловкостью, которой наделены наши собственные руки. Что касается моторики, мы хотим понять, как мозг естественным образом контролирует руку. Как мы можем говорить на языке мозга и уметь распознавать этот язык при движении этой руки робота?? С сенсорной стороны, когда мы касаемся чего-либо, как нервная система реагирует на это?? И как этот нейронный отклик вызывает перцептивный опыт??”
Хотя исследователи надеются найти дополнительных субъектов с параличом нижних конечностей, которые могут быть заинтересованы в участии в этом исследовании, они признают, что не все кандидаты будут иметь такой же уровень функциональности, что и Имбри. Имбри был идеальным кандидатом для этого испытания из-за ранее существовавшей у него травмы спинного мозга, ограниченного использования и чувствительности рук, а также готовности посвящать время исследованию – он находится в лаборатории 15 часов в неделю, проводя эксперименты.
Более того, он любит работу.
«Скотт – это подарок», – сказала Бенсмайя. “Он человек с безудержным энтузиазмом, и он такой щедрый, такой позитивный и такой мотивированный. Он пришел, ему вживили эти имплантаты в мозг, и на следующий день он подумал: «Когда мы сможем начать??”Он только что взялся за дело и уже отлично умеет.”
Поиск подходящих пациентов на будущее
Позже в этом году исследовательская группа планирует оснастить Имбри не просто набором виртуальной реальности – они работают над объединением передовой роботизированной руки с роботизированной рукой, которой Скотт сможет манипулировать, используя те же электроды, которые он использует. для системы VR. Хотя технология далека от того, чтобы выйти на рынок, исследователи в восторге от работы, которую они проделали с Имбри.
«Хотя работа со Скоттом все еще находится на ранней стадии, у этого исследования есть много потенциальных приложений в будущем», – сказал Хацопулос. «Это могло бы помочь нам разработать технологию, которая позволит парализованным или потерявшим конечности выполнять основные повседневные действия, такие как одевание или питание, работа за компьютером и даже вставание и ходьба в виде экзоскелетного робота.”
Имбри стремится участвовать в проекте, пока электроды работают, и он может предоставить больше данных для исследования, даже если он не получит непосредственной выгоды от результатов исследования. По его словам, для него важнее, чтобы исследование в конечном итоге могло помочь другим.
«Когда я впервые получил травму, у меня был парализованный паралич», – сказала Имбри. “Со временем все вернулось. У меня все еще есть ограниченные возможности и все такое. Но я думаю о людях, у которых нет возможности двигаться или что-то в этом роде. И я знаю, что однажды это исследование даст кому-то возможность использовать конечность в той или иной форме или способом, будь то его собственная или роботизированная конечность. И это будет действительно круто.”