Βιο-εμπνευσμένη νευροπροσθετική: Aποστολή σημάτων που μπορεί να καταλάβει ο εγκέφαλος | ETH Zurich

Τα νέα νευροπροσθετικά μέλη που συνδέονται με το νευρικό σύστημα είναι διαθέσιμα εδώ και αρκετά χρόνια. Τώρα, ερευνητές στο ETH Zurich βρήκαν στοιχεία ότι τα νευροπροσθετικά λειτουργούν καλύτερα όταν χρησιμοποιούν σήματα που είναι εμπνευσμένα από τη φύση.

Βιο-εμπνευσμένη νευροπροσθετική: αποστολή σημάτων που μπορεί να καταλάβει ο εγκέφαλος | Talking Science®
Οι ερευνητές του ETH Zurich ανέπτυξαν ένα προσθετικό πόδι που επικοινωνεί με τον εγκέφαλο μέσω φυσικών σημάτων.

Εν συντομία

  • Οι νευροπροσθέσεις είναι ηλεκτρομηχανικές συσκευές που συνδέονται με το νευρικό σύστημα. Μέχρι στιγμής, αυτά δεν είναι σε θέση να παρέχουν φυσική επικοινωνία με τον εγκέφαλο. Αντίθετα, προκαλούν συχνά τεχνητές, δυσάρεστες αισθήσεις, παρόμοιες με ένα αίσθημα μυρμηκίασης στο δέρμα.
  • Αυτή η παραισθησία μπορεί να προκληθεί από υπερδιέγερση του νευρικού συστήματος. Ερευνητές του ETH Zurich μαζί με συναδέλφους τους στη Γερμανία, τη Σερβία και τη Ρωσία έχουν προτείνει ότι τα νευροπροσθετικά θα πρέπει να μεταδίδουν βιομιμητικά σήματα που είναι ευκολότερα κατανοητά από τον εγκέφαλο.
  • Αυτά τα νέα ευρήματα σχετίζονται με τις προθέσεις χεριών και ποδιών, καθώς και με διάφορα άλλα βοηθήματα και συσκευές, συμπεριλαμβανομένων των εμφυτευμάτων σπονδυλικής στήλης και των ηλεκτροδίων για τη διέγερση του εγκεφάλου.

Πριν από μερικά χρόνια, μια ομάδα ερευνητών που εργάζονταν υπό τον καθηγητή Stanisa Raspopovic στο ETH Zurich Neuroengineering Lab κέρδισαν την παγκόσμια προσοχή όταν ανακοίνωσαν ότι τα προσθετικά τους πόδια επέτρεψαν στους ακρωτηριασμένους να αισθανθούν αισθήσεις από αυτό το τεχνητό μέρος του σώματος για πρώτη φορά. Σε αντίθεση με τις εμπορικές προθέσεις ποδιών, οι οποίες απλώς παρέχουν στους ακρωτηριασμένους σταθερότητα και υποστήριξη, η προσθετική συσκευή των ερευνητών ETH Zurich συνδέθηκε με το ισχιακό νεύρο στο μηρό των υποκειμένων της δοκιμής μέσω εμφυτευμένων ηλεκτροδίων.

Αυτή η ηλεκτρική σύνδεση επέτρεψε στη νευροπροσθετική να επικοινωνήσει με τον εγκέφαλο του ασθενούς, για παράδειγμα, αναμεταδίδοντας πληροφορίες σχετικά με τις συνεχείς αλλαγές στην πίεση που ανιχνεύονταν στο πέλμα του προσθετικού ποδιού όταν περπατούσε. Αυτό έδωσε στα υποκείμενα της δοκιμής μεγαλύτερη εμπιστοσύνη στην πρόσθεση τους – και τους επέτρεψε να περπατούν πολύ πιο γρήγορα σε δύσκολα εδάφη. «Η πειραματική μας πρόσθεση ποδιού κατάφερε να προκαλέσει φυσικές αισθήσεις. Αυτό είναι κάτι που οι σημερινές νευροπροσθέσεις δεν μπορούν να κάνουν κυρίως. Αντίθετα, προκαλούν κυρίως τεχνητές, δυσάρεστες αισθήσεις», λέει ο Raspopovic.

Αυτό οφείλεται πιθανώς στο ότι τα σημερινά νευροπροσθετικά χρησιμοποιούν χρονικά σταθερούς ηλεκτρικούς παλμούς για να διεγείρουν το νευρικό σύστημα. «Αυτό δεν είναι μόνο αφύσικο, αλλά και αναποτελεσματικό», λέει ο Raspopovic. Σε μια πρόσφατα δημοσιευμένη εργασία, αυτός και η ομάδα του χρησιμοποίησαν το παράδειγμα των προσθετικών ποδιών τους για να τονίσουν τα οφέλη από τη χρήση φυσικά εμπνευσμένης, βιομιμητικής διέγερσης για την ανάπτυξη της επόμενης γενιάς νευροπροσθετικών.

Το μοντέλο προσομοιώνει την ενεργοποίηση των νεύρων στο πέλμα

Για να δημιουργήσει αυτά τα βιομιμητικά σήματα, η Natalija Katic – μια διδακτορική φοιτήτρια στην ερευνητική ομάδα του Raspopovic – ανέπτυξε ένα μοντέλο υπολογιστή που ονομάζεται FootSim. Βασίζεται σε δεδομένα που συλλέχθηκαν από συνεργάτες στον Καναδά, οι οποίοι κατέγραψαν τη δραστηριότητα των φυσικών υποδοχέων, που ονομάζονται μηχανοϋποδοχείς, στο πέλμα του ποδιού ενώ άγγιζαν διαφορετικά σημεία στα πόδια των εθελοντών με μια δονούμενη ράβδο.

Το μοντέλο προσομοιώνει τη δυναμική συμπεριφορά μεγάλου αριθμού μηχανοϋποδοχέων στο πέλμα του ποδιού και παράγει τα νευρικά σήματα που εκτοξεύουν τα νεύρα του ποδιού προς τον εγκέφαλο – από τη στιγμή που η φτέρνα χτυπά το έδαφος και το βάρος του σώματος αρχίζει να μετακινείται προς τα εμπρός προς το εξωτερικό μέρος του ποδιού μέχρι τα δάχτυλα των ποδιών να σπρώξουν το έδαφος έτοιμα για το επόμενο βήμα. «Χάρη σε αυτό το μοντέλο, μπορούμε να δούμε πώς συμπεριφέρονται οι σημειακοί υποδοχείς από το πέλμα και τα συνδεδεμένα νεύρα κατά το περπάτημα ή το τρέξιμο, κάτι που είναι πειραματικά αδύνατο να μετρηθεί», λέει η Katic.

Η αποκατάσταση της φυσικής αισθητηριακής ανάδρασης έχει ως αποτέλεσμα λειτουργικά και γνωστικά οφέλη για τους χρήστες προσθετικών ποδιών. (Φωτογραφία: Pietro Comaschi)

Υπερφόρτωση πληροφοριών στο νωτιαίο μυελό

Για να αξιολογήσει πόσο στενά αντιστοιχούν τα βιομιμητικά σήματα που υπολογίζονται από το μοντέλο με τα σήματα που εκπέμπονται από πραγματικούς νευρώνες, ο Giacomo Valle – μεταδιδάκτορας στην ερευνητική ομάδα του Raspopovic – εργάστηκε με συναδέλφους στη Γερμανία, τη Σερβία και τη Ρωσία σε πειράματα με γάτες, των οποίων το νευρικό σύστημα επεξεργάζεται την κίνηση με παρόμοιο τρόπο με αυτόν των ανθρώπων. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν το 2019 στο Ινστιτούτο Φυσιολογίας Pavlov στην Αγία Πετρούπολη και πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με τις σχετικές οδηγίες της Ευρωπαϊκής Ένωσης.

Οι ερευνητές εμφύτευσαν ηλεκτρόδια, τα οποία συνδέουν μερικά με το νεύρο στο πόδι και μερικά με το νωτιαίο μυελό για να ανακαλύψουν πώς μεταδίδονται τα σήματα μέσω του νευρικού συστήματος. Όταν οι ερευνητές άσκησαν πίεση στο κάτω μέρος του ποδιού της γάτας, προκαλώντας έτσι τη φυσική νευρική απόκριση που εμφανίζεται όταν μια γάτα κάνει ένα βήμα, το περίεργο μοτίβο δραστηριότητας που καταγράφηκε στον νωτιαίο μυελό έμοιαζε πράγματι με τα μοτίβα που προκλήθηκαν στον νωτιαίο μυελό όταν οι ερευνητές διέγειραν το νεύρο του ποδιού με βιομιμητικά σήματα.

Αντίθετα, η συμβατική προσέγγιση της χρονικά σταθερής διέγερσης του ισχιακού νεύρου στο μηρό της γάτας προκάλεσε ένα σημαντικά διαφορετικό μοτίβο ενεργοποίησης στο νωτιαίο μυελό. «Αυτό δείχνει ξεκάθαρα ότι οι κοινώς χρησιμοποιούμενες μέθοδοι διέγερσης προκαλούν τα νευρωνικά δίκτυα στη σπονδυλική στήλη να πλημμυρίζουν από πληροφορίες», λέει ο Valle. «Αυτή η υπερφόρτωση πληροφοριών θα μπορούσε να είναι η αιτία για τις δυσάρεστες αισθήσεις ή την παραισθησία που αναφέρουν ορισμένοι χρήστες νευροπροσθετικών», προσθέτει ο Raspopovic.

Εκμάθηση της γλώσσας του νευρικού συστήματος

Στην κλινική τους δοκιμή με άτομα με ακρωτηριασμένο πόδι, οι ερευνητές μπόρεσαν να δείξουν ότι η βιομιμητική διέγερση είναι ανώτερη από τη χρονικά σταθερή διέγερση. Η δουλειά τους έδειξε ξεκάθαρα πώς τα σήματα που μιμούνταν τη φύση παρήγαγαν καλύτερα αποτελέσματα: όχι μόνο οι μετέχοντες στη δοκιμή μπόρεσαν να ανέβουν σκαλιά πιο γρήγορα, έκαναν επίσης λιγότερα λάθη σε μια εργασία που απαιτούσε να ανεβαίνουν τα ίδια σκαλοπάτια ενώ συλλαβίζουν λέξεις προς τα πίσω. «Η βιομιμητική νευροδιέγερση επιτρέπει στα άτομα να συγκεντρωθούν σε άλλα πράγματα ενώ περπατούν», λέει ο Raspopovic, «έτσι καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι αυτός ο τύπος διέγερσης επεξεργάζεται πιο φυσικά και επιβαρύνει λιγότερο τον εγκέφαλο».

Ο Raspopovic, του οποίου το εργαστήριο αποτελεί μέρος του Ινστιτούτου Ρομποτικής και Ευφυών Συστημάτων ETH Zurich, πιστεύει ότι αυτά τα νέα ευρήματα δεν σχετίζονται μόνο με τις προθέσεις των άκρων που αυτός και η ομάδα του εργάζονται για πάνω από μισή δεκαετία. Υποστηρίζει ότι η ανάγκη να απομακρυνθούμε από την αφύσικη, χρονικά σταθερή διέγερση προς βιομιμητικά σήματα ισχύει επίσης για μια ολόκληρη σειρά άλλων βοηθημάτων και συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των σπονδυλικών εμφυτευμάτων και των ηλεκτροδίων για τη διέγερση του εγκεφάλου. «Πρέπει να μάθουμε τη γλώσσα του νευρικού συστήματος», λέει ο Raspopovic. «Τότε θα είμαστε σε θέση να επικοινωνήσουμε με τον εγκέφαλο με τρόπους που καταλαβαίνει πραγματικά».

Aναδημοσίευση άρθρου του Ori Schipper 21.02.2024 στο ETH News. Link to original article >

Πηγή: Valle G, Katic Secerovic N, Eggemann D, Gorskii O, Pavlova N, Petrini FM, Cvancara P, Stieglitz T, Musienko P, Bumbasirevic M, Raspopovic S: Biomimetic computer-​to-brain communication enhancing naturalistic touch sensations via peripheral nerve stimulation. Nature Communications, 20 February 2024, doi: external page10.1038/s41467-​024-45190-6

Αφήστε μια απάντηση

Κάντε κύλιση στην κορυφή