Niedawno na zaproszenie tygodnika Newsweek komentowałem sukces inżynierii biomedycznej, jakim było zbudowanie protezy ręki, która nie tylko jest w stanie poruszać się, sterowana wyłącznie myślą używającego jej człowieka, ale także potrafi przesyłać do jego mózgu wrażenia zmysłowe, pochodzące z sensorów na końcach jej palców. Użytkownik czuje więc, czego dotyka proteza i jakie są właściwości dotykanego przedmiotu. Odbiera swoim umysłem wiadomości, jaki kształt ma dotykany przez protezę przedmiot, jaka jest jego wielkość, twardość i inne atrybuty, które normalnie poznajemy wykorzystując receptory w naszej dłoni. Omówię teraz skrótowo to osiągnięcie.
REKLAMA
Protezy sterowane za pomocą sygnałów pojawiających się w nerwach ruchowych zachowanych w kikucie amputowanej ręki czy nogi - są znane i wykorzystywane od lat. Gdy człowiek myśli o tym, że kończyna powinna wykonać taki lub inny ruch - sygnały z jego mózgu biegną do odpowiedniego segmentu rdzenia kręgowego i wywołują aktywność tak zwanych motoneuronów alfa w rogach przednich rdzenia - a te wysyłają sygnały bezpośrednio do mięśni:
'/%3e%3cpath%20class='cls-2'%20d='M212.89,56.37v51.7h-19V56.37H173.83v-16h59.11v16H212.89Z'%20transform='translate(0%200)'/%3e%3c/svg%3e)
Opisywałem ten proces we wpisie Jak elektronicznie sterować własnym ciałem? Nowa szansa dla sparaliżowanych, gdzie pokazuję także schemat odpowiedniego systemu sterowania pochodzący z mojej książki "Biocybernetyka".
Gdy nie ma już mięśni, którymi należałoby sterować, żeby kończyna wykonywała potrzebne ruchy (no bo nie ma też utraconej kończyny), nerwy i sygnały pozostają. Docierają one do kikuta pozostałego po amputacji i tam sygnały z mózgu mogą być zarejestrowane przez elektroniczną aparaturę. Potrafimy budować tak czułe urządzenia rejestrujące, że są one w stanie na powierzchni skóry wykryć sygnał pojawiający się w nerwie biegnącym wewnątrz kończyny, a odpowiednie układy sterujące mogą przetworzyć te sygnały na sterowanie silnikami napędowymi protezy.
Zagadnienia te opisałem także we wpisie Jak sterować maszynami bezpośrednio za pomocą myśli?, więc Czytelników zainteresowanych tematem tego wpisu zapraszam i zachęcam, żeby także i tam zajrzeli.
Z przesłaniem wrażenia zmysłowego od protezy do mózgu jest jednak gorzej. Żeby pacjentka mogła odbierać sygnały z sensorów umieszczonych w protezie w podobny sposób, jak odbierała wrażenia z receptorów w opuszkach własnych palców – trzeba było te sygnały wprowadzić w do nerwów czuciowych biegnących do mózgu. To właśnie te nerwy przesyłały sygnały z receptorów (na przykład dotyku), wywołując w mózgu odpowiednie wrażenia, pozwalające rozpoznać, co trzymamy w dłoni i jakie to ma właściwości. Ale gdy receptorów zabrakło, bo zostały utracone wraz z amputowaną kończyną, to musiały je zastąpić czujniki elektroniczne.
Czujników i przetworników pomiarowych mamy w technice co niemiara. Wiele z nich cechuje się czułością i dokładnością o wiele większą, niż odpowiednie zamysły człowieka. Umiemy też wytwarzać elektronicznie sygnały, które są obierane przez mózg tak samo, jak sygnały z receptorów. Technikę te stosuje się przy wszczepianiu pacjentom tak zwanych implantów ślimakowych, przywracających słuch osobom całkowicie głuchym. Jednak przekazywanie wrażeń dotykowych wymaga nieco innego podejścia. Wrażenia te docierają do mózgu (czyli do naszej świadomości) za pośrednictwem nerwów czuciowych, zwojów rdzeniowych, rdzenia kręgowego i szeregu pięter nerwowych przetwarzających informację, zanim dotrze ona do kory mózgowej (do zwoju przedcentralnego).
Sztuczny sygnał pochodzący z sensorów protezy musi się też wpisać w ten system. W tym celu do końcówek nerwów czuciowych w kikucie trzeba było dołączyć miniaturowe elektroniczne stymulatory, sterowane bezprzewodowo z zewnątrz. Wymagało to zabiegu operacyjnego, ale jak twierdzą osoby, które się takiemu zabiegowi poddały - nie jest to szczególnie uciążliwe ani nie wiąże się z dużym bólem.
Konieczność łączności bezprzewodowej wynika z faktu, że przez skórę nie da się na dłużej przeprowadzić żadnych kabli ani elektrod. Każde miejsce przebicia skóry to otwarte wrota do różnych infekcji, więc nieuchronnie pojawi się stan zapalny i trzeba będzie kabelek usunąć. Łączność bezprzewodowa jest więc jedyną możliwością połączenia tego, co znajduje się na zewnątrz ciała (w rozważanym przykładzie - komputera wytwarzającego sygnały dla mózgu), z tym, co znajduje się wewnątrz ciała (w rozważanym przykładzie są to nerwy, które sztuczny sygnał czuciowy zaprowadzą do mózgu).
Dlatego właśnie metodą bezprzewodową sterowane są przez komputer stymulatory z elektrodami wszczepionymi do nerwów czuciowych. Komputer steruje nimi, obserwując stan sensorów na końcach palców protezy. Gdy sensor wykrywa kontakt mechanicznego palca z jakimś przedmiotem – to wysyła sygnał do komputera. Komputer przekształca go na sygnał sterujący stymulatorem, stymulator wysyła impulsy do nerwu, a mózg za pośrednictwem nerwu i całej kaskady struktur nerwowych wchodzących w skład drogi czuciowej - „czuje” ten dotyk.
Użytkowniczką takiej niezwykłej "czującej" protezy jest Włoszka, Almerina Mascarello, która utraciła rękę w wypadku, który miał miejsce 25 lat temu. Był to wypadek tragiczny, ale dzielna Almerina nie poddała się ograniczeniom wynikającym z tego kalectwa, tylko zgodziła się na udział w całej serii eksperymentów prowadzonych przez zespół lekarzy i inżynierów w Scuola Superiore Sant’ Anna di Pisa, dzięki czemu inżynierowie krok po kroku odbudowują jej utraconą rękę. O szczegółach można przeczytać tutaj.
W mojej wypowiedzi dla Newsweeka omawiałem i komentowałem ten sukces inżynierii biomedycznej, a także wspomniałem, że udrożnienie dwustronnej komunikacji między mózgiem Almeriny i jej protezą jest zapowiedzią tego, nad czym pracujemy także w Katedrze Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej AGH - interfejsu łączącego bezpośrednio mózg człowieka z komputerem, a poprzez ten komputer - z całym Internetem. Wspomniałem też o tym, że w połowie marca odbędzie się w Opolu duża konferencja na temat BCI czyli Brain-Computer Interface - systemów bezpośredniej komunikacji między mózgiem i komputerem. O konferencji tej pisałem już na tym blogu. Zainteresowanych odsyłam tutaj. Ale ponieważ obecnie dostałem także formalne zaproszenie:
więc się nim chcę z Państwem podzielić. Niestety, ja w tej konferencji osobiście uczestniczyć nie zdołam (kolizja terminów) i z tego powodu musiałem także zrezygnować z proponowanego przez Organizatorów wystąpienia na tej Konferencji z wykładem plenarnym. Ale mam nadzieję, że ktoś z Państwa skorzysta z informacji zawartych w zaproszeniu i przyjdzie posłuchać?
Zdecydowanie warto, więc gorąco zapraszam!
Nie przegap żadnej ważnej wiadomości i obserwuj nas w Google News!