Бионические конечности

Для людей, лишенных конечностей, современная медицина уже сегодня предлагает протезы, которые способны заменить утраченные двигательные функции. Такие протезы называют бионическими. Специалисты без устали работают над их усовершенствованием, пытаясь сделать так, чтобы пациенты ощущали их как естественные конечности. Эти высокотехнологичные устройства уже не просто заменяют утраченные руки и ноги – они открывают новые горизонты для людей с ограниченными возможностями, позволяя им вернуться к полноценной жизни и даже в некоторой степени превзойти естественные человеческие способности.

Роберту Гонту удалось вернуть осязание пациенту с парализованными руками

Ставка на осязание

Уже десятки лет ученые пытаются вернуть мобильность людям с парализованными или отсутствующими конечностями. Долгое время ставка делалась непосредственно на нерв – пациенты должны были управлять протезами с помощью нервных импульсов. Но созданные на этой базе бионические протезы оказались несовершенными. Они были слишком тяжелыми, слабо контролируемыми и ощущались как инородные тела, а их использование требовало значительной концентрации.

– Постепенно ученые пришли к выводу, что полной подвижности удастся добиться только при восстановлении осязания и ощущения температуры, – объясняет американский биоинженер Роберт Гонт (Robert Gaunt) из университета Питтсбурга. В 2016 году Гонту и его сотрудникам удалось совершить ощутимый прорыв, вернув осязание пациенту с парализованными руками. Для этого больному имплантировали компьютерный чип – нейрокомпьютерный интерфейс (BCI) – в область мозга, управляющей рукой, и соединили его кабелем с роботизированной рукой-протезом. В результате пациент смог этой искусственной рукой не только двигать объекты, но и чувствовать их.

Особую сложность представляет собой обилие информации, которую следует переработать, чтобы породить ощущение, кажущееся естественным.

– Когда мы дотрагиваемся до какого-нибудь объекта, различные сенсорные нейроны в нашей коже кодируют его форму, его упругость и его текстуру, – объясняет Джакомо Валле (Giacomo Valle), нейроинженер из Технического университета Чалмерса в Швеции.

Валле и его коллеги попытались воспроизвести этот нейронный код и передать его в мозг по чувствительным нервам организма или непосредственно на кору больших полушарий. Они установили, что очень специфическое восприятие текстуры, давления и направления движения тесно связано с последовательностью, формой и течением электрических импульсов. При комбинировании таких импульсов пациент начинает чувствовать объекты. В результате людям с бионическими руками становится проще брать и распознавать предметы, а людям с бионическими ногами – ходить и сохранять равновесие.

Помимо осязания ученые работают над воспроизведением других составляющих соматосенсорики – системы нашего организма, собирающей сенсорную информацию от всего тела. Она включает в себя чувства прикосновения, температуры, боли и ощущение положения тела. По мнению многих ученых, только такой комплекс ощущений сможет вернуть пациентам так называемое «мышечное чувство». Однако самым важным считается ощущение температуры.

Неврологу Солайману Шокуру (Solaiman Shokur) из Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne (EPFL) удалось сгенерировать в «фантомных руках» людей с ампутированными верхними конечностями ощущения тепла и холода с помощью стимуляции нервов в культе. Пациенты ощущали температуру объектов так, словно дотрагивались до них отсутствующей рукой.

Другой путь

В то же время другие разработчики не считают таким уж необходимым обязательно воспроизводить все грани соматосенсорики. По их мнению, приоритетными должны быть те ощущения, которые максимально улучшают мобильность людей и функционирование протезов. По мнению Хью Херра (Hugh Herr), инженера из Массачусетского технологического института, инвалидам нужны в первую очередь протезы, ощущаемые ими как часть собственного тела, а не как искусственный придаток.

Наука и технология продвигаются в этом направлении семимильными шагами, считает Херр. По его мнению, специалистам все лучше удается интегрировать в протезы сенсорные компоненты. Конструкторы «сплавляют» ткани организма – мышцы, сухожилия, кости и нервы – с синтетическими технологиями и таким образом поднимают взаимодействие человека и машины на новую ступень. Разрабатываемые Херром и его сотрудниками хирургические техники и имплантаты направлены на совершенствование электродов в бионических протезах конечностей. Их новые электроды проникают в периферические нервы или обвивают их. Вместе с сотрудниками Brigham and Women’s Hospital в Бостоне Херр и его коллеги разработали метод воспроизведения поступления сенсорных сигналов в культю ампутированной ноги. Разработчики поставили перед собой задачу дать возможность пациентам чувствовать, как протез при ходьбе наступает на землю. Для этого ученые взяли участки кожи с пятки и хирургическим путем соединили их с нервами в культе. Кожный трансплантат был связан с мышечно-компьютерным интерфейсом, сокращающим мышцу для механической активации сенсорного нерва. Когда мышца сокращается и натягивает кожу, пациент чувствует, как он наступает на пятку. В ходе клинических испытаний нового метода пациенты ощущали движения большого пальца бионической ноги и давление на ее пятку.
В 2024 году Херр и его коллеги обнародовали результаты использования еще одного перспективного метода. На этот раз цель разработки состояла в том, чтобы дать пациентам возможность чувствовать положение искусственных конечностей. Медики называют это проприоцепцией – внутренним ощущением собственных движений.

Ученые хирургическим путем соединяли электродами оставшиеся пары мышц – агонисты и антагонисты – и таким образом частично восстанавливали мышечную динамику в культе. Когда протез наступал на землю, изменение давления передавалось на культю и стимулировало оставшиеся нервы. При восстановлении проприоцепции в нерве хотя бы на 18% пациенты смогут подниматься и спускаться по лестнице без помощи перил. По мнению Херра, этот способ позволяет почти полностью вернуть подвижность.

– Использование этого нового вида протезов дало еще один неожиданный, но положительный результат. Из-за стимуляции периферических нервов фантомные боли в ампутированной конечности уменьшились, – подчеркивает французская исследовательница Рошель Акерли из Национального центра научных исследований в Марселе. – Это улучшает эмоциональное самочувствие пациентов, а также снижает ощущение протеза в качестве чужеродного элемента.

Электронная кожа

Протезы, способные воспроизводить чувственные ощущения до такой степени, чтобы заменить потерянные руки или ноги – будь то с помощью BCI или через связь с периферическими нервами, – появятся еще нескоро. Тем не менее, реалистичные искусственные конечности с кажущейся настоящей кожей являются идеалом для многих.

Американская исследовательница Чженань Бао (Zhenan Bao), инженер из Стэнфордского университета в Калифорнии, считает это представление о протезах порождением научно-фантастического сериала «Звездные войны». Бионическая рука Люка Скайуокера из фильма «Возвращение джедая», вышедшего на экраны в 1983 году, и поныне считается прототипом идеи искусственной руки с синтетической кожей. Электронные кожные покровы (Elektronische Häute, E-Skins) объединяют в себе последние достижения неврологии и техники и будут способствовать дальнейшему совершенствованию протезов.

Хотя первые E-Skins были разработаны еще в 1970-е годы, в 2023 году эта отрасль исследований поднялась на новый уровень. Чженань Бао и ее коллеги уже приступили к созданию искусственных материалов, выглядящих и ощущаемых как человеческая кожа. Они должны быть в состоянии не только получать информацию из окружения, но и генерировать сигналы для непосредственной коммуникации с нервной системой и вызывать таким образом естественные ощущения.

В настоящее время целый ряд лабораторий работает над улучшением различных компонентов E-Skins: датчиков окружающей среды и микросхем, превращающих сенсорные сигналы в цифровые импульсы, а также электрических интерфейсов для соединения сенсоров с периферическими нервами. Американский нейроинженер Нитиш Такор (Nitish Thakor) из университета Джонса Хопкинса в Балтиморе, работающий над совершенствованием E-Skins, убежден, что прогресса в этом направлении можно достичь только в результате прорыва в двух областях: наноматериалах и электронике, с одной стороны, и неврологии – с другой. Важное значение будет иметь создание гибких и органических транзисторов, функционирующих в искусственной коже подобно успокаивающему рецептору и способных самостоятельно «излечиваться» при повреждении. Кроме того, необходима дальнейшая работа над превращением сенсорной информации в цифровые данные, которые в форме импульсов стимулируют нервную систему.

Чженань Бао, которая намерена уже в ближайшие годы испытывать на пациентах с протезами произведенные в коммерческих целях E-Skins, особенно вдохновляет идея использовать их для обретения сверхчеловеческих способностей. Так, в ходе одного из исследований, в которых она принимала участие, была создана искусственная кожа, настолько напичканная сенсорами, что она могла считывать целые предложения, написанные мелким шрифтом алфавитом Брайля для слепых. При желании E-Skins можно оснастить и другими сенсорами – например, позволяющими определять химический состав предметов, что выходит далеко за рамки возможностей человеческой кожи.