Нейропротезы, способные осязать

Нейрофизиологи Чикагского университета (США) выяснили, что для создания искусственных тактильных ощущений, особенно различающихся по интенсивности, важно учитывать силу и частоту электрических сигналов, передающих данную информацию в мозг.

«Мы вплотную подошли к созданию нейропротезов, способных к осязанию. Мы понимаем, как создавать подобные ощущения в мозгу с помощью искусственной стимуляции», – говорит один из авторов исследования Слиман Бенсмайя (Sliman Bensmaia), доцент Отделения биологии организма и анатомии в Чикагском университете.

Исследования Бенсмайи и его коллег являются частью многолетнего проекта «Революция в протезировании», проводящегося под эгидой Управления перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA). Целью проекта является создание модульных протезов верхних конечностей, способных, в частности, передавать полноценные тактильные ощущения. В проекте участвует большая междисциплинарная группа экспертов из государственных организаций, частных компаний и университетов.

Команда Слимана Бенсмайи и его коллег из Чикагского университета занимается конкретно сенсорными возможностями протезов. Для своего исследования они проводили эксперименты на обезьянах, сенсорная система которых очень похожа на человеческую. Подопытным животным вживили электроды в область мозга, обрабатывающую информацию о прикосновениях к рукам. Обезьян научили чувствовать электрическую стимуляцию, а также показывать исследователям, какой из двух последовательных электрических сигналов ощущался сильнее.

Исследователи варьировали различные параметры сигналов – такие, как амплитуда, частота и продолжительность, чтобы понять, как эти факторы влияют на восприятие сигналов животными. Их особенно интересовала так называемая «Еле ощутимая разница» (ЕОР) – минимальное изменение параметров сигнала, при котором ощущение, создаваемое стимуляцией мозга с помощью этого сигнала, уже воспринималось как иное. К примеру, на определенной частоте воздействие сигнала начинает ощущаться при силе тока в 20 микроампер, а при силе в 50 микроампер он уже создает другое ощущение. В данном случае показатель ЕОР составляет 30 микроампер.

Осязание представляет собой сложную смесь различных ощущений – контакта, давления, текстуры поверхности, вибраций, движения и так далее. Группа Бенсмайи документировала различные параметры сигналов и ощущения, которые они вызывают при стимуляции мозга. На основе этих данных исследователи составили своеобразные «ноты», с помощью которых можно будет сыграть «концерт» тактильных ощущений.

«Когда вы берете в руку какой-то предмет, вы можете регулировать силу сжатия пальцев. Чтобы реалистично передавать тактильные ощущения, нам нужно знать, сколько «оттенков» давления можно передать с помощью электрической стимуляции. В идеале диапазон возможных «искусственных» ощущений должен быть не менее широким, чем для «естественных». Наше исследование помогает приблизить создание прототипов подобных протезов, готовых для испытаний на людях», – говорит Слиман Бенсмайя.

Подробнее см. S. Kim et al. «Behavioral assessment of sensitivity to intracortical microstimulation of primate somatosensory cortex», PNAS, October 2015.