Потеря чувствительности — разрушительное последствие потери верхних конечностей. При этом даже самый функциональный бионический протез руки восстанавливает только 10% механики и, пока не может восстановить сенсорную обратную связь. Протез, отделенный от самоощущения, воспринимается как искусственный инструмент, независимый от тела. Пользователи протезов часто испытывают трудности с определением положения протеза в пространстве, поскольку предполагаемое положение протеза и фактическое не совпадают. Следовательно, очувствление важно для улучшения контроля над протезом конечности, включения протеза в карту тела человека. Также известно, что восстановление чувствительности помогает и для уменьшения такого клинического эффекта, как фантомная боль. Что такое фантомная конечность и как оно связано с проблемами протезирования - под катом.
Как работает здоровая конечность
Здоровая рука выполняет множественные сенсомоторные функции. Во-первых, руками мы совершаем механическую работу над различными предметами. Во-вторых, она выполняет сенсорные функции (соматосенсорные, или функции "ощущения тела"), из которых можно выделить осязание (механорецепцию), терморецепцию, ноцицепцию (боль) и проприоцепцию (относительные изменения состояния мышц, сухожилий и суставов).
Тактильная обратная связь имеет решающее значение для захвата и манипулирования объектами.
Чтобы взять сырое яйцо, стеклянный стакан или резиновый мяч, мозгу необходимо не только определить, какие для этого следует задействовать пальцы, т.е. произвести реконструкцию желаемого положения конечности, но и рассчитать достаточную, но не чрезмерную силу давления на предмет во время захвата. Сильные отклонения в сторону больших или меньших значений могут привести к тому, что мы либо раздавим предмет, либо он выскользнет из нашей руки. При этом ключевую роль играет контактное давление, информация о котором попадает в мозг посредством механорецепторов на коже пальцев. Через несколько этапов тактильная информация от пальцев в виде нейрональной активности проявляется в соматосенсорной коре головного мозга человека, где происходит ее обработка и передача в другие отделы мозга.
При травматической же потере конечности физический источник тактильной информации пропадает, однако субъективные ощущения пациента от потерянной конечности могут оставаться. То есть, пациент ощущает руку, и даже, может быть, испытывать боль, локализованную в в этой руке, хотя физически самой руки уже нет. Такое состояние получило название ощущение “фантомной конечности”, и, соответственно, “фантомная боль”.
Современные исследования фантомных болей продемонстрировали, что имитация сенсорной информации от потерянной конечности может уменьшить или даже полностью убрать (купировать) приступы фантомной боли. В связи с этим, при травматической потере конечности восстановление передачи информации от конечности в кору мозга — актуальная задача современных разработок в сфере нейропротезирования и реабилитации.
Иллюзия резиновой руки
На данный момент, широко распространенные бионические протезы пока не способны восстановить чувствительность. Без тактильных и проприоцептивных ощущений люди, потерявшие конечности, полагаются на зрительные и слуховые сигналы.
Психофизиологический феномен, который получил название Иллюзия резиновой руки (Rubber hand illusion) в чистом виде не имеет отношения к протезированию, однако может быть использован для натурализации протеза.
Суть феномена проявляется в следующем эксперименте. Искусственная рука (обычно, резиновая) помещается перед здоровым испытуемым в естественной позе, в то время как родная рука скрыта от взгляда. Сначала экспериментаторы производят одинаковое воздействие на настоящую руку, которую испытуемый не видит и резиновую, находящуюся перед ним. После нескольких таких повторений, тестируемый человек начинают воспринимать резиновую руку как свою собственную, и ощущения становятся настолько сильными, что при ударе по резиновой руке испытуемый переживает те же чувства опасности, что и при угрозе травмирования его настоящей конечности, и даже может попытаться убрать настоящую руку из зоны опасности. То есть, когда зрительная информация от резиновой руки длительное время (несколько минут) согласуется с тактильными ощущениями истиной руки, испытуемые перестают воспринимать разницу между настоящей и резиновой рукой. Тактильная информация, которая когда-то были ассоциирована только с их родной конечностью, становится связана с резиновой конечностью. Поэтому восстановление чувствительности от искусственной конечности так актуально — в этом случае пациент сможет воспринимать протез не как отчужденный предмет, а уже как часть себя, т. е. встроить протез в карту тела.
Очувствление протезов
Миоэлектрические протезы используют электрические потенциалы от сокращения мышц для управления положением искусственной руки и обладают улучшенными функциональными схемами захвата и более совершенным косметическим видом по сравнению с протезами с питанием от тела. Однако им не хватает тактильной сенсорной обратной связи. Отсутствие тактильных сигналов приводит,, к зависимости от зрительной и слуховой обратной связи. На сегодняшний день отсутствие тактильной чувствительности и зависимость от альтернативных сенсорных модальностей (зрение и слух) — одна из основных жалоб, связанных с миоэлектрическими протезами.
Идеальный механизм сенсорной обратной связи — это тот, который обеспечивает такое же восприятие, как и естественная конечность. В 1970-х и 1980-х годах исследователи пытались вызвать различные ощущения с помощью экстраневральной манжеты или интраневральных тонкопроволочных электродов. Обычно пациенты сообщали о парестезии, т. е. жжении, вибрации или пульсации, распространяющейся по фантомной руке. Однако современные исследования показывают, что электростимуляция периферических нервов усиливает натурализацию миоэлектрического протеза. В одном из исследований использование имплантированных на периферические нервы манжетных электродов обеспечило двум субъектам сенсорную обратную связь с интенсивностью, пропорциональной силам, действующим на большой, указательный и средний пальцы их протезной руки во время манипуляции с объектом. Оба субъекта получили ощущения на фантомной руке в местах, соответствующих расположению протеза руки. Психометрические тесты показали, что в результате испытуемые стали более естественно воспринимать протез.
К изучению возможности снижения и прекращения фантомных болей у людей с ампутированными верхними конечностями в этом году приступили Моторика и команда Дальневосточного федерального университета (ДВФУ). Проект позволит изучить эффективность стимуляции периферических нервов для купирования болевого синдрома у пациентов с фантомными и постампутационными болями в верхней конечности. При помощи периферической стимуляции планируется также составить карты фантомной чувствительности для создания системы очувствления протеза.
Технологии протезирования значительно продвинулись вперед за последние два десятилетия. В 21 веке можно выделить три основных достижения в нейропротезировании. Во-первых, непрерывное усовершенствование методов изготовления протезов и аддитивные технологии позволили создавать более мобильные, подвижные и антропоморфные протезы, с бОльшим количеством степеней свобод. Во-вторых, усовершенствование методов записи и модуляции активности нервной ткани позволило проводить более тонкие и более специфичные работы с биологической тканью, что было продемонстрировано в лабораторных исследованиях на крысах и приматах. В-третьих, развитие кремниевой микро- и наноэлектроники, а также применение алгоритмов "искусственного интеллекта", позволило разрабатывать и применять более сложные алгоритмы в управлении и биологической обратной связи. Этот технологический прогресс позволяет уже сегодня пациентам с тетраплегией (параличом всех конечностей) частично реализовывать сенсорные и моторные функции искусственных конечностей. Однако чем больше мы узнаем о проблеме, тем больше у нас появляется вопросов. Поэтому, можно сказать, что мы находимся только в начале пути протезирования.
P.S.
Если вы дочитали до конца, и вам интересна тема робототехники и протезирования, то мы в "Моторике" всегда рады молодым и талантливым. Неважно, вы только учитесь или уже у вас большой опыт и вы все умеете.