Осязание — обратная связь, которую мы получаем при использовании руки. Благодаря осязанию можно манипулировать предметами не глядя: захватывать их, гладить, бить и т.д. Обратная связь необходима для аккуратного обращения с хрупкими предметами типа яиц. Осязание даёт критически важную информацию для мгновенного рефлекторного реагирования — чтобы человек сохранил в целости свои механизмы и органы.
В конце концов, благодаря осязанию мозг получает информацию о некоторых свойствах объектов — такие свойства нельзя узнать иначе. Например, мягкость/твёрдость, упругость, липкость и т.д. С помощью этих данных в мозге происходит вычисление других свойств объекта, что позволяет надёжно предсказать будущее, то есть предсказать результат взаимодействия с объектом.
Важность осязания бесспорна. В этой связи очень удручает, что конструкторы биопротезов до сих пор не нашли надёжного способа передавать в мозг человека информацию с сенсоров механических рук.
До сих пор ни один коммерчески доступный протез рук и ног не комплектуется сенсорами осязания, потому что эту информацию всё равно невозможно передать человеку в реальном времени, то бишь естественным путём: через нервные окончания в мозг.
Помните, как Люк Скайуокер почувствовал боль, когда игла уколола его в только что установленную бионическую руку? Конечно, хотелось бы сделать такую технологию доступной не только для ситхов, но и для обычных людей.
Инженеры давно пытаются решить проблему. Очевидно, что требуется взаимодействие с центральной нервной системой человека, протокол которой пока не расшифрован до конца. Приходится искать обходные пути, чтобы совместить живые нейронные структуры и механические конструкции. Сейчас этим занимается прикладная наука нейроинженерия. Группа нейроинженеров из Питтсбургского университета (США) нашла возможное решение для передачи тактильных импульсов от механической руки.
Инженеры попытались заменить естественное осязание искусственными импульсами в надежде, что мозг сам настроится на новый сигнал. В коре головного мозга монтируются электроды, которые стимулируют отдельные участки в соответствии с показаниями сенсоров на механической руке. У человека возникает чувство, что он как будто что-то трогает.
Этот феномен описан в нескольких научных работах. Похоже, впервые он был замечен в 1997 году и описан в научной работе в журнале Nature. Тогда учёные обратили внимание, что стимуляция отдельных участков коры головного мозга заставляет животных реагировать так, словно их конечности двигаются. Но что конкретно чувствуют животные при стимуляции мозга — осталось неизвестным. В последующие годы такие опыты проводились на людях: испытуемые подтвердили, что ощущают некие чувства в конечностях.
В Питтсбургском университете провели длительный шестимесячный эксперимент на 28-летнем пациенте Нейтане Коуплэнде (Nathan Copeland) с давним повреждением спинного мозга. Парень в 2004 году попал в ДТП и сломал шею.
В мозг Нейтана внедрили два нейроимплантата с решёткой из 60 электродов размером 2,4?4 мм. Провод из мозга выходит наружу головы и подключается к внешнему металлическому модулю, который служит для связи.
Самым сложным было найти подходящее место на коре головного мозга для внедрения имплантатов. Учёные долго изучали составляли функциональную карту мозга, пытаясь точно определить участок коры, в котором происходит обработка тактильных сигналов. Для этого пациента, который 10 лет ничего не трогал руками, заставляли активно думать о том, как он трогает и щупает разными пальцами. В это же время снимались показания магнитно-резонансной томографии.
В конце концов, учёным удалось-таки составить примерную карту участков соматосенсорной области коры, связанных с обработкой информацией с каждого из трёх пальцев руки (большой, указательный, мизинец) и с ладони.
Импланты вставили аккуратно рядом с соответствующими нейронами, а пациента подключили к системе микростимуляции, подавая слабые импульсы на электроды и отслеживая реакцию. Тот сообщил, что чувствует различные сочетания вибраций, прикосновений, давления и покалываний как будто в суставах и под кожей руки. Что интересно, карта ощущений практически не изменилась за шесть месяцев.
Для главного научного эксперимента модуль связи имплантата подключили к механическому протезу — и записывали ощущения, которые возникают у пациента при различных действиях механической руки. Выяснилось, что нажатие на пальцы он правильно распознаёт в 84% случаев, а по мере тренировки — в 100% случаев.
Учёный нажимает на палец руки, когда у пациента завязаны глаза
Тактильный интерфейс для искусственной конечности пытались создать и раньше. Например, в рамках программы DARPA HAPTIX идёт разработка нейроинтерфейса для передачи тактильных сигналов от протеза в нервную систему. На рентгеновском снимке внизу видны электроды, хирургически имплантированные в предплечье и подключенные проводами к внешнему компьютеру. В идеале, сенсорные сигналы от протеза поступают через тактильный интерфейс в периферийную нервную систему, оттуда — в спинной мозг.
Электроды, хирургически имплантированные в предплечье и подключенные проводами к внешнему компьютеру
Учёным проекта HAPTIX удалось добиться неплохого результата в создании тактильного интерфейса. Но он никак не может помочь людям, страдающим от повреждений спинного мозга. А вот разработка нейронженеров из Питтсбургского университета — может помочь.
Ценность нового метода в том, что информация в мозг передаётся напрямую от руки, в обход спинного мозга, хоть по беспроводному каналу. Это даёт надежду огромному количеству людей, которые живут с повреждениями спинного мозга. Только в США таких от 243 000 до 347 000 человек, по оценке Национального статистического центра по травмам спинного мозга. Если аппроксимировать, то во всём мире их должно быть несколько миллионов. В зависимости от степени повреждения нервных путей, эффекты различаются по силе: от частичной потери ощущений в пальцах до полной потери способности контролировать целую конечность.
Именно людям с повреждениями спинного мозга лучше всего подходит имплантация приёмника сигналов в мозг. Жаль только, что у каждого человека карта мозга имеет свои особенности, так что перед имплантацией придётся осуществлять индивидуальное картирование соматосенсорной области коры, то есть несколько сеансов МРТ.
Мозговой тактильный имплантат ещё нуждается в доработке. Он и близко не сравнится с живой рукой, а вместо некоторых тактильных ощущений пациент чувствует покалывание. Учёным так и не удалось симулировать осязание с отдельных частей руки, например, с кончиков пальцев. Возможно, необходимо более точное позиционирование электродов в соматосенсорной коре головного мозга. Может быть, количество электродов следует увеличить.
Научная статья с описанием инновационного имплантата будет опубликована 19 октября 2016 года в журнале Science Translational Medicine (doi: 10.1126/scitranslmed.aaf8083).
Комментарии (47)
nagvv
14.10.2016 18:59-1Если подключить не конечность в замен потерянной, а абсолютно полное тело(необязательно гуманоидное), то сможет ли один мозг управиться с двумя телами? А с тремя? Четырьмя?… Стами?
А что если подключить другой мозг(не обязательно человеческий). Как они будут себя ощущать? Станут ли они со временем функционировать как один мозг? А если потом их разъединить?
sumanai
14.10.2016 19:05+2> то сможет ли один мозг управиться с двумя телами
Большинство и одним то не очень управляет, а уж несколькими.
> Станут ли они со временем одним целым?
Нет.
Kardy
14.10.2016 19:43> Станут ли они со временем одним целым?
в каком-то смысле точно станут. Для мозга чувство «своей руки» принципиально не отличается, скажем, от чувства «совей машины». А вот удастся ли полноценно запустить два тела от одного мозга — тот еще вопрос
еще интересный вопрос — что будет если «залинковать» два мозга? Технически это возможно — были девочки сиамские близнецы с мостом через таламус.interprise
15.10.2016 09:50они могли общаться? или как это проявлялось?
Kardy
15.10.2016 12:08+1Могут видеть и чувствовать то что видит или чувствует другой. Возможно — общаться, но точно неизвестно — когда их исследовали они были еще совсем мелкие и с задержками в развитии, так что просто спросить и получить внятный ответ не получалось. Они живы и относительно в порядке, но я не слышал о новых наблюдениях;
Их зовут «Krista and Tatiana Hogan», можете погуглить.
Alex_ME
14.10.2016 19:21Интересно, какие границы пластичности мозга?
На правах практически шутки: что если научить мозг какому-то цифровому интерфейсу?
К примеру, вживить электроды, которые будут передавать ASCII-код символа и показывать человеку соответствующий символ. Сможет ли он со временем научиться распознавать их? Ценность именно такого эксперимента не слишком высока, но все-таки интересно.
menraen
14.10.2016 20:39Границы очень широки. Вот например эпизод Radiolab про слепого человека, который языком «видит», и даже «различает цвета»: http://www.radiolab.org/story/seeing-tongues/
Среди прочего там мелькает мысль, что так можно не только восстановить утраченное чувство зрения/слуха/etc, а и создавать новые чувства, и приводят пример костюма с электродами, на который «транслируется» биржевая активность, и человек-носитель такого костюма через некоторое время начинает в прямом смысле «чувствовать рынок».
GeeSVe
14.10.2016 23:21Мне в этом плане интересно периодически смотреть что люди пишут про осознанные сновидения. Ведь это вообще как-то странно, что человек может чувствовать и видеть что-либо, при этом на самом деле не испытывая внешних раздражителей. Ещё более удивляет, что человек может сам натренировать эту способность или спонтанно испытать (как было у меня два раза). Если так подумать, то границы пластичности будут заключаться, наверное, только во времени.
Fagot63
15.10.2016 13:38Тут скорее завязано на воображение. Сам не так давно начал
ленивыетренировки с ОС. Пока детализация не очень. Примерно как в VR шлеме. Но более опытные товарищи пишут про уровень детализации практически на уровне нашей реальности. Не считая конечно некоторых фишек доступных только в ОС(полет и т.п.).Per_Ardua
17.10.2016 12:12На самом деле, уровень детализации (или реалистичности) зачастую превышает уровень нашей реальности. Здесь могут сказать, что с более высокой детализацией, чем во время дневной активности, человек не может воспринимать, но увы, мой опыт говорит об обратном. Не уверен в том, что знаю, почему так происходит, но результат мне нравится.
Fagot63
17.10.2016 14:41Как то мне вкололи не совместимые лекарства и провел я 4 года в полу осознанном сне. То есть мог действовать самостоятельно, но непосредственно менять окружающее пространство не мог. Я и не представлял, что подсознание(или что еще) может создавать целые миры. Того что там увидел, хватит на целую книгу. Жаль только техногенные миры попадались, мне больше фентези интересно. После этого долго вообще не видел сны ни в каком варианте и только пол года назад получилось кое как продраться сразу в ОС. Такое ощущение, что якорь на шею повесили, завязали глаза и заткнули уши.
Aleksandr_Zh
14.10.2016 20:44стимуляция отдельных участков коры головного мозга заставляет животных реагировать так, словно их руки двигаются.
XDred
14.10.2016 21:04Разъёмы страшные больно. А вот если разъём вставить рядом с потерянной конечностью то будет уже хорошо. А если ещо и научится добывать достаточно электричества для работы подобных имплантов беспроводным способом прямиком из тела человека, то будет вообще замечательно.
Кажется, там были разработки топливных элементов на глюкозе, и ещо где-то предлагали поставить турбину с генератором на сосуды.
Sadler
14.10.2016 21:51В тех разъёмах скорее всего какие-то усилители/преобразователи, ведь потенциал на нейронах едва ли значителен, банально удлинить проводники и вывести куда нужно не получится. Лично я считаю, что куда надёжнее организовать интерфейс методами генной инженерии, т.к. операция на мозге — это определённо небезопасно. Конечно, всё это не на текущем этапе развития технологии, но в качестве фантазии я это вижу как-то так: мозаично организуем зоны электропроводности в черепе и подключаем туда пучки аксонов от близлежащих областей коры.
Terranz
14.10.2016 23:21ну, многие фантасты сходятся в том, что надо будет организовывать нейроинтфейс на виске или затылке, например
многие фантасты предлагают генную модификацию мозга — набор длинных нейронов в нужные области мозга сходящиеся на какой-то имплант.
potan
15.10.2016 01:36+2Пора уже разрабатывать мозговой интерфейс, способный передавать текст в обе стороны. Тогда бы программисты с толстыми пальцами дальнозоркостью могли бы не терять время зря во время поездок в метро, а спокойно продолжать кодить. Моя давняя мечта!
SADKO
15.10.2016 18:45Их есть у меня, и довольно давно, причём неинвазивно, правда с восприятием текста есть некоторые проблемы из-за обхода зрения, которое оказалось больше чем просто зрение. В общем до продукта ещё долгий путь.
Но в принципе, передавать текст в мозг и из мозга можно различными путями, причём не обязательно инвазивными.
glioma
15.10.2016 20:36Я вот то же мечтаю сделать эксперимент, выделить небольшую чувствительную ветвь кожного нерва в лобной области, перерезать и вживить элементарный датчик температуры, выдающий некоторые импульсы при температуре, например, больше 37,0гр, ну и смотреть на результат, как человек, точнее его кора мозга, научается определять повышение локальной температуры. Как перестраивается понимание тактильной чувствительности и соотносится с температурой.
Fagot63
15.10.2016 22:40В какой то фантастике мне встречались накожные татуировки для определения локальных источников тепла.
Sadler
15.10.2016 22:48Импульсы можно подавать и ничего не перерезая, обычный вибромотор сойдёт. Ну, либо, если нужно беззвучно и более локально, можно обеспечивать разное давление на кожу в зависимости от значения.
alix_ginger
16.10.2016 10:50Я, может быть, неправильно понял, но ведь человек и так ощущает изменение температуры? Гораздо интереснее и полезнее, на мой взгляд, вживить компас, чтоб «чувствовать» направление на север.
isden
16.10.2016 11:16А я читал про опыт одного товарища, который соорудил нехитрый дивайс на пояс, чтобы по вибрации с разных сторон постоянно чувствовать магнитный север.
glioma
16.10.2016 16:08Если к работающему нерву присоединять датчик, то человек не поймёт откуда идёт сигнал, то ли от участка кожи иннервируемого нервом, то ли от датчика. А так, в норме гипестезия, а если появилась чувствительность, то значит заработал датчик, а потом уже его откалибровать. А уж какой датчик вживлять без разницы, я сначала думал о рентгеновском или гамма-излучении. Идёшь такой по Чернобылю, хрясь, зазуделось, ага, значит рядом фонит. Вариантов масса, операция технически не сложная, главное разработать сам датчик и подружить его с нервом, наработки в мире уже есть.
mkth
15.10.2016 22:40Электроды в башке напоминают Франкенштейна. Еще не скоро до нормальной реализации, видимо.
black_semargl
16.10.2016 04:44контактная пластина как понимаю 5*5мм, т.е. шаг электродов 0.5 мм. Процессоры по такой норме полвека назад делали.
Разьёмы на башке вообще монструозные.
Хорошее дело делают, только вот жаль на таких отсталых технологиях.
tzlom
16.10.2016 09:432.4*4 мм, одно дело сделать процессор где все на подложке, другое — длинный торчащий электрод, который ещё и не сломается в процессе эксплуатации. Точность позионирования у него выше чем кажется, он покрыт диэлектриком, в котором проделаны мелкие отверстия на интересующей глубине.
Разъём такой большой потому что он должен быть надёжным, неподвижным и не передавать усилие с пинов на шлейф. Для этого ему нужна большая опорная площадка.black_semargl
16.10.2016 22:522.4*4 мм — это наверно прямоугольные которые, но там и квадратный есть.
Я не про тот разъём что в черепушке, а про тот который на конце провода.
Flamen_UA
20.10.2016 10:32Помните, как Люк Скайуокер почувствовал боль, когда игла уколола его в только что установленную бионическую руку? Конечно, хотелось бы сделать такую технологию доступной не только для ситхов, но и для обычных людей.
Возмутительно! Оскорбительно! Неприемлемо!
Nekto_Habr
Потрясающе. Ждём эти технологии тут…
PS:
https://goo.gl/Jsdqvj