Pełniejsza wiedza o kondycji mózgu w zasięgu naszych (bionicznych) palców

Jedno z głównych wyzwań, z jakim mierzą się projektanci sztucznych kończyn, polega na umożliwieniu użytkownikom – osobom po amputacji – intuicyjnego korzystania z ich funkcjonalności. Dążenie do opracowania protez, które zapewnią niemal naturalny ruch i czucie, zaowocowało niedawnymi postępami w asystujących interfejsach neurologicznych, umożliwiających sprzężenie zwrotne między mózgiem a czujnikami. Prace oparły się na fachowej wiedzy z wielu dziedzin, między innymi: kognitywistyki, obrazowania mózgu, biologii i mechaniki komórki, inżynierii tkankowej, przetwarzania informacji, robotyki i rehabilitacji medycznej.

Bezpośredni wkład w pokonywanie tego wyzwania wnieśli partnerzy dwóch finansowanych ze środków UE projektów, których prace stale dostarczają spostrzeżeń badawczych i technologii. W ramach projektu NANOBIOTOUCH, zakończonego w 2013 r., powstała opuszka palca, która jest w stanie wykrywać kierunek działania siły i temperaturę, co ma decydujące znaczenie dla realistycznych wrażeń dotykowych.

Przyjmując to osiągnięcie za punkt wyjścia, naukowcy wykorzystywali od tego czasu układy nanoelektromechaniczne (NEMS) w połączeniu z przetwarzaniem informacji sieci neuronowej, aby umożliwić sztuczne poznawanie powierzchni w sposób jeszcze bardziej zbliżony do zachowania dotykowego i reakcji afektywnej człowieka.

Partnerzy projektu NEBIAS, który jest w toku realizacji, pracują nad protezą kończyny górnej, sterowanej za pomocą interfejsu neuronowego, która umożliwi stałe i selektywne połączenie z układem nerwowym. Starają się także lepiej poznać „język”, za pomocą którego ośrodkowy układ nerwowy porozumiewa się z układem obwodowym. W tym celu analizują elektromagnetyczne sygnały mózgowe i nerwowe oraz związane z ruchem zmiany w przepływie krwi/metabolizmie mózgu.

Poznawanie reakcji neurofizjologicznej

To bogactwo badań przyniosło świeże i nieco nieoczekiwane spostrzeżenia dotyczące tego, jak tak naprawdę funkcjonuje mózg. W tym miesiącu czasopismo »Drug Target Review« donosi, że ustalenia poczynione w toku badań prowadzonych w ramach wyżej wspomnianych projektów umożliwiły nowe sposoby „pomiaru stanu mózgu”. Czasopismo cytuje jednego z naukowców, Henrika Jörntella z Uniwersytetu w Lund w Szwecji, który stwierdził: „Jesteśmy w stanie zmierzyć współpracę sieci neuronalnych w bardzo precyzyjny i szczegółowy sposób. Możemy także zobaczyć, jak cała sieć ulega zmianom, kiedy napływają nowe informacje”.

W ramach tych najnowszych badań udało się naśladować wrażenia dotykowe człowieka za pomocą bionicznych opuszek zaprojektowanych na potrzeby robotycznej neuroprotezy kończyny górnej z nerwami sensorycznymi wbudowanymi w skórę szczura, odbierającą te sztuczne wrażenia dotykowe. Zespół zyskał lepsze pojęcie o tym, jak mózg postrzega świat zewnętrzny poprzez dotyk, za pomocą narzędzia, które umożliwiło wysokorozdzielczą analizę przetwarzania napływających informacji przez poszczególne neurony i ich połączone sieci mózgowe. Odkryto między innymi, że poszczególne neurony są w stanie przekazać znacznie więcej informacji, niż dotychczas zakładano i że są tak naprawdę w stanie wchodzić w interakcje, tworząc bogate interpretacje bodźców czuciowych.

Wykraczając poza biorobotykę

Czasopismo »Drug Target Review« cytuje naczelnego specjalistę ds. biorobtyki, Calogero Oddo, który brał udział w pracach nad projektem NANOBIOTOUCH: „Wiedza ta zostanie wbudowana w nową generację czułych dłoni robotycznych, które będą przekazywać osobom po amputacji subtelne informacje dotykowe”. Ponadto, zważywszy na intensyfikację rehabilitacji medycznej osób po amputacji, czułe sztuczne kończyny mogą także posłużyć do zwiększenia możliwości robotycznych w zakresie złożonych zadań wymagających zręczności i precyzji, takich jak zabieg chirurgiczny czy akcje ratownicze.

Ustalenia naukowców dotyczące sposobu, w jaki funkcjonują zdrowe sieci neuronowe w mózgu mają tak naprawdę istotne implikacje, wykraczające poza zastosowania biorobotyczne. W przypadku postępujących schorzeń neurologicznych, takich jak choroba Parkinsona czy Alzheimera, sieci neuronowe zmieniają swoje funkcjonowanie, czego skuteczne monitorowanie jest niezwykle trudne. Na przykład udar, nawet kiedy uszkodzenie mózgu jest lokalne, może zaburzyć pracę całej sieci neuronalnej. Badania wniosły wkład w pogłębienie wiedzy z dziedziny neurologii, podkreślając fakt, że sposób przetwarzania przez mózg wrażeń czuciowych może w rzeczywistości wskazywać na stan mózgu jako całości.

Więcej informacji:
witryna projektu NEBIAS
strona projektu NANOBIOTOUCH w serwisie CORDIS