Эксперименты показывают, что нетренированный пациент с протезом руки может различать предметы на ощупь
Ученые из Сколтеха, производителя протезов «Моторика» и Дальневосточного федерального университета впервые сравнили ощущения в фантомных конечностях ампутантов при стимуляции спинного мозга и периферических нервов, о которых сообщали одни и те же пациенты.
Используя обратную связь от протезной руки в виде электрических импульсов, пациенты смогли различать предметы разных размеров, а также мягкие и твердые предметы на ощупь. Эксперименты продолжались в течение месяца, что позволило отслеживать обучение и привыкание пациентов. Помимо субъективных отчетов участников, команда изучала записи их мозговой активности. Исследование было опубликовано в Frontiers in Neuroscience .
Исследовательская группа работала с двумя пациентами с ампутацией руки выше локтя. Каждому участнику были имплантированы электроды как около спинного мозга , так и в периферический нерв в руке. Таким образом, два электрода обеспечивали стимуляцию двух различных типов, и исследователи приступили к сравнению связанных с этим ощущений.
Исследование является первым, в котором сообщается о спинальном и периферическом картировании у одних и тех же пациентов. Другими словами, получая стимуляцию каждого вида (а также обоих видов одновременно), с различными параметрами электрического импульса, пациент делился своими субъективными восприятиями и тем, как они менялись. Оказалось, что периферическая стимуляция — та, которая использовала электрод в руке — вызывала ощущения более локализованной природы, которые были больше похожи на обратную связь, получаемую от здоровой конечности.
Еще одной уникальной особенностью исследования является то, что пока пациенты сообщали о своих субъективных ощущениях, исследователи также отслеживали объективную реакцию мозга на стимуляцию с помощью электроэнцефалографии — метода регистрации нейронной активности с помощью электродов, размещенных на коже черепа.
Рентгеновские снимки, показывающие электроды для стимуляции спинного мозга (изображены слева, расположены около позвоночника) и стимуляции периферических нервов (изображены справа, расположены в срединном нерве левой руки) у одного из пациентов. Кредит: Gurgen Soghoyan et al./ Frontiers in Neuroscience
Реакция мозга оказалась более латерализованной (неравномерной по отношению к левому и правому полушарию ) при периферической стимуляции, что согласуется с субъективными впечатлениями пациентов и с интуицией о том, что паттерн, соответствующий движению правой руки, должен наблюдаться в левом полушарии и наоборот.
«Кроме того, ЭЭГ показала, что при периферической стимуляции сигнал в мозге затухает быстрее», — говорит ведущий автор исследования, научный сотрудник Сколтеха Гурген Согоян, который также учится в докторантуре по программе «Науки о жизни» института.
«Мы объясняем это тем, что нервной системе легче адаптироваться к такой стимуляции. При спинальной стимуляции подобного эффекта не наблюдается: привыкания к стимулу не происходит, а привыкание означает адаптацию, что является косвенным указанием на то, что стимул воспринимается как естественный».
«Еще один момент: один из пациентов сообщил, что его ощущения становились все более естественными с каждым днем», — продолжил исследователь. «Такая благоприятная динамика вселяет оптимизм в отношении перспектив широкого внедрения нейронного протезирования с сенсорной обратной связью. Это также подчеркивает полезность исследований, подобных нашему, которые продолжаются в течение нескольких дней и, следовательно, имеют больше шансов воспроизвести реальные сценарии пациентов, использующих протезы».
Эксперименты проводились в несколько этапов. Исследователи разработали нейронный протез с обратной связью, который обеспечивает тактильные ощущения. Пациентам было предложено держать твердые цилиндрические предметы трех различных размеров с помощью протезной руки с завязанными глазами. Даже без какой-либо предварительной подготовки один из участников мог назвать размер предметов со значительно меньшим количеством ошибок, чем если бы он делал предположения наугад. Однако другому пациенту потребовалась тренировка.
После того, как участники получили некоторую подготовку, они оба смогли выполнить задание, и у изначально успешного испытуемого частота ошибок снизилась. После перерыва в несколько дней, что само по себе является преимуществом более длительных исследований, частота ошибок снизилась еще больше.
По-видимому, мозг далее усваивал то, что он узнал, без какой-либо дополнительной подготовки. Один из пациентов даже смог отличить объекты друг от друга на основе спинальной стимуляции. Исследователи предполагают, что это может указывать на степень переноса навыков между различными режимами обратной связи.
В отдельном эксперименте пациентам было предложено различать мягкие и твердые цилиндры. И снова первый испытуемый смог выполнить задание без предварительной подготовки, а второй — с тренировкой. Этот эксперимент включал мультимодальную стимуляцию.
А именно, периферическая и транскутанная электрическая стимуляция нервов (TENS) имитировала тактильное ощущение и проприоцепцию соответственно. Проприоцепция относится к чувству положения тела. TENS — это третья модальность, отличная как от спинальной, так и от периферической стимуляции.
«На предыдущих этапах стимуляция периферических нервов позволяла пациентам различать твердые и мягкие предметы, а также предметы разных размеров с помощью протеза руки. Благодаря электростимуляции команда добилась надежной чувствительности у пациентов в их искусственных конечностях, а фантомная боль в конечностях была снижена на 90% за счет стимуляции спинного мозга и периферических нервов », — говорит соавтор исследования Юрий Матвиенко, руководитель отдела нейротехнологий компании «Моторика».
«Этот прорыв, которого мы добились, касается не только более точного управления протезом, но и передачи сенсорных данных от устройства к пользователю».