Sie können wahrscheinlich erstaunlich viele Aufgaben mit Ihren Händen erledigen, ohne sie anzusehen. Wenn Sie jedoch Handschuhe tragen, die Ihren Tastsinn dämpfen, werden viele dieser einfachen Aufgaben frustrierend. Nehmen Sie die Propriozeption weg – Ihre Fähigkeit, die relative Position und Bewegung Ihres Körpers zu spüren – und Sie könnten am Ende sogar einen Gegenstand zerbrechen oder sich verletzen.
„Den meisten Menschen ist nicht bewusst, wie oft sie sich auf Berührung statt auf das Sehen verlassen – beim Tippen, beim Gehen, beim Aufheben einer dünnen Tasse Wasser“, sagte Dr. Charles Greenspon, Neurowissenschaftler an der University of Chicago. „Wenn Sie nicht fühlen können, müssen Sie ständig auf Ihre Hand achten, während Sie irgendetwas tun, und Sie riskieren trotzdem, Gegenstände zu verschütten, zu quetschen oder fallen zu lassen.“
Greenspon und seine Forschungsmitarbeiter veröffentlichten kürzlich Artikel in Naturbiomedizinische Technik Und Wissenschaft Dokumentiert große Fortschritte bei einer Technologie, die genau dieses Problem lösen soll: direkte, sorgfältig abgestimmte elektrische Stimulation des Gehirns, die taktile Rückmeldungen erzeugen kann, um den Handprothesen ein nuanciertes „Gefühl“ zu verleihen.
Die Wissenschaft der Wiederherstellung der Empfindung
Diese neuen Studien bauen auf der jahrelangen Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern und Ingenieuren von UChicago, der University of Pittsburgh, der Northwestern University, der Case Western Reserve University und Blackrock Neurotech auf. Gemeinsam entwerfen, bauen, implementieren und verfeinern sie Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs) und Roboterarmprothesen, die darauf abzielen, sowohl die motorische Kontrolle als auch das Gefühl bei Menschen wiederherzustellen, die erhebliche Gliedmaßenfunktionen verloren haben.
Auf Seiten der UChicago wurde die Forschung bis zu seinem unerwarteten Tod im Jahr 2023 vom Neurowissenschaftler Sliman Bensmaia, PhD, geleitet.
Der Ansatz der Forscher zur prothetischen Empfindung besteht darin, winzige Elektrodenanordnungen in den Teilen des Gehirns zu platzieren, die für die Bewegung und das Fühlen der Hand verantwortlich sind. Einerseits kann ein Teilnehmer einen Roboterarm bewegen, indem er einfach über Bewegung nachdenkt, und andererseits können Sensoren an diesem Roboterglied Impulse elektrischer Aktivität auslösen, die als intrakortikale Mikrostimulation (ICMS) in dem Teil des Gehirns bezeichnet werden, der der Berührung gewidmet ist.
Greenspon erklärte, dass diese Stimulation des Berührungszentrums etwa ein Jahrzehnt lang nur ein einfaches Kontaktgefühl an verschiedenen Stellen der Hand vermitteln konnte.
„Wir konnten das Gefühl hervorrufen, dass man etwas berührte, aber meistens war es nur ein Ein-/Aus-Signal, und oft war es ziemlich schwach und schwer zu sagen, wo an der Hand der Kontakt stattfand“, sagte er.
Die neu veröffentlichten Ergebnisse markieren wichtige Meilensteine bei der Überwindung dieser Einschränkungen.
Verbesserung des Verständnisses künstlicher Berührung
In der ersten Studie, veröffentlicht in Naturbiomedizinische TechnikGreenspon und seine Kollegen konzentrierten sich darauf, sicherzustellen, dass elektrisch hervorgerufene Berührungsempfindungen stabil, genau lokalisiert und stark genug sind, um für alltägliche Aufgaben nützlich zu sein.
Durch die Abgabe kurzer Impulse an einzelne Elektroden in den Berührungszentren der Teilnehmer und die Meldung, wo und wie stark sie die einzelnen Empfindungen verspürten, erstellten die Forscher detaillierte „Karten“ von Gehirnbereichen, die bestimmten Teilen der Hand entsprachen. Die Tests ergaben, dass die Teilnehmer bei der gleichzeitigen Stimulation zweier nahe beieinander liegender Elektroden eine stärkere, klarere Berührung verspüren, was ihre Fähigkeit verbessern kann, den Druck auf den richtigen Teil der Hand zu lokalisieren und zu messen.
Die Forscher führten außerdem ausführliche Tests durch, um zu bestätigen, dass dieselbe Elektrode stets ein Gefühl erzeugt, das einer bestimmten Stelle entspricht.
„Wenn ich am ersten Tag eine Elektrode stimuliere und ein Teilnehmer sie an seinem Daumen spürt, können wir dieselbe Elektrode am 100. Tag, am 1.000. Tag und sogar viele Jahre später testen, und sie spüren sie immer noch an ungefähr derselben Stelle“, sagte Greenspon , der der Hauptautor dieses Artikels war.
Aus praktischer Sicht müsste jedes klinische Gerät stabil genug sein, damit sich ein Patient im Alltag darauf verlassen kann. Eine Elektrode, die ständig ihren „Berührungspunkt“ verschiebt oder inkonsistente Empfindungen erzeugt, wäre frustrierend und erfordert eine häufige Neukalibrierung. Im Gegensatz dazu könnte die in dieser Studie ermittelte Langzeitkonsistenz es Prothesenträgern ermöglichen, Vertrauen in ihre motorische Kontrolle und ihren Tastsinn zu entwickeln, ähnlich wie sie es in ihre natürlichen Gliedmaßen tun würden.
Hinzufügen von Gefühlen von Bewegung und Formen
Das Komplementäre Wissenschaft Paper ging noch einen Schritt weiter, um künstliche Berührungen noch immersiver und intuitiver zu gestalten. Das Projekt wurde vom Erstautor Giacomo Valle, PhD, geleitet, einem ehemaligen Postdoktoranden an der UChicago, der nun seine Bionik-Forschung an der Chalmers University of Technology in Schweden fortsetzt.
„Zwei nebeneinander liegende Elektroden im Gehirn erzeugen keine Empfindungen, die die Hand in hübschen kleinen Flecken mit einer Eins-zu-eins-Entsprechung ‚kacheln‘; stattdessen überlappen sich die sensorischen Orte“, erklärte Greenspon, der gemeinsam als Hauptautor an dieser Studie beteiligt war Papier mit Bensmaia.
Die Forscher beschlossen zu testen, ob sie diese überlappende Natur nutzen könnten, um Empfindungen zu erzeugen, die es Benutzern ermöglichen könnten, die Grenzen eines Objekts oder die Bewegung von etwas, das über ihre Haut gleitet, zu spüren. Nachdem die Wissenschaftler Paare oder Gruppen von Elektroden identifiziert hatten, deren „Berührungszonen“ sich überlappten, aktivierten sie sie in sorgfältig orchestrierten Mustern, um Empfindungen zu erzeugen, die sich über die sensorische Karte fortsetzten.
Die Teilnehmer berichteten, dass sie eine sanfte, gleitende Berührung verspürten, die sanft über ihre Finger lief, obwohl der Reiz in kleinen, diskreten Schritten verabreicht wurde. Die Wissenschaftler führen dieses Ergebnis auf die bemerkenswerte Fähigkeit des Gehirns zurück, sensorische Eingaben zusammenzufügen und sie als kohärente, bewegende Erlebnisse zu interpretieren, indem es Wahrnehmungslücken „füllt“.
Der Ansatz der sequentiellen Aktivierung von Elektroden verbesserte auch deutlich die Fähigkeit der Teilnehmer, komplexe taktile Formen zu unterscheiden und auf Veränderungen in den von ihnen berührten Objekten zu reagieren. Manchmal konnten sie Buchstaben des Alphabets identifizieren, die elektrisch auf ihren Fingerspitzen „gezeichnet“ waren, und sie konnten einen bionischen Arm verwenden, um ein Lenkrad zu stabilisieren, wenn es begann, durch die Hand zu rutschen.
Diese Fortschritte tragen dazu bei, das bionische Feedback näher an die präzisen, komplexen und adaptiven Fähigkeiten natürlicher Berührung heranzuführen und ebnen den Weg für Prothesen, die einen sicheren Umgang mit Alltagsgegenständen und Reaktionen auf wechselnde Reize ermöglichen.
Die Zukunft der Neuroprothetik
Die Forscher hoffen, dass die Abdeckung der gesamten Hand mit der weiteren Verbesserung des Elektrodendesigns und der chirurgischen Methoden noch feiner wird, was ein lebensechteres Feedback ermöglicht.
„Wir hoffen, die Ergebnisse dieser beiden Studien in unsere Robotersysteme integrieren zu können, wo wir bereits gezeigt haben, dass selbst einfache Stimulationsstrategien die Fähigkeit der Menschen verbessern können, Roboterarme mit ihrem Gehirn zu steuern“, sagte Co-Autor Robert Gaunt, PhD, außerordentlicher Professor für physikalische Medizin und Rehabilitation und Leiter der Stimulationsarbeit an der University of Pittsburgh.
Greenspon betonte, dass die Motivation hinter dieser Arbeit darin besteht, die Unabhängigkeit und Lebensqualität von Menschen mit Gliedmaßenverlust oder Lähmungen zu verbessern.
„Wir alle kümmern uns um die Menschen in unserem Leben, die sich verletzen und ein Glied verlieren – diese Forschung ist für sie“, sagte er. „Auf diese Weise stellen wir die Berührung bei Menschen wieder her. Es ist die Spitze der restaurativen Neurotechnologie und wir arbeiten daran, den Ansatz auf andere Regionen des Gehirns auszuweiten.“
Der Ansatz ist auch für Menschen mit anderen Arten von Sinnesstörungen vielversprechend. Tatsächlich hat die Gruppe auch mit Chirurgen und Geburtshelfern an der UChicago am Bionic Breast Project zusammengearbeitet, dessen Ziel die Entwicklung eines implantierbaren Geräts ist, das den Tastsinn nach einer Mastektomie wiederherstellen kann.
Obwohl noch viele Herausforderungen bestehen bleiben, liefern diese neuesten Studien Belege dafür, dass der Weg zur Wiederherstellung der Berührung immer klarer wird. Mit jeder neuen Reihe von Erkenntnissen kommen Forscher einer Zukunft näher, in der eine Körperprothese nicht nur ein funktionelles Werkzeug, sondern eine Möglichkeit ist, die Welt zu erleben.
