Die meisten nicht behinderten Menschen sehen ihre Fähigkeit, einfache tägliche Aufgaben zu erledigen, als selbstverständlich an - wenn sie nach einer warmen Tasse Kaffee greifen, können sie ihr Gewicht und ihre Temperatur spüren und ihren Griff entsprechend anpassen, damit keine Flüssigkeit verschüttet wird. Menschen mit vollständiger sensorischer und motorischer Kontrolle über ihre Arme und Hände können spüren, dass sie ein Objekt berührt haben, sobald sie es berühren oder greifen, und können es mit Zuversicht bewegen oder anheben.
Aber diese Aufgaben werden viel schwieriger, wenn eine Person eine Armprothese bedient, ganz zu schweigen von einer gedankengesteuerten.
In einem heute in Science veröffentlichten Artikel beschreibt ein Team von Bioingenieuren der University of Pittsburgh Rehab Neural Engineering Labs, wie das Hinzufügen einer Gehirnstimulation, die taktile Empfindungen hervorruft, es dem Bediener erleichtert, einen gehirngesteuerten Roboterarm zu manipulieren. In dem Experiment reduzierte die Ergänzung des Sehvermögens mit künstlicher taktiler Wahrnehmung die Zeit, die zum Greifen und Übertragen von Objekten aufgewendet wurde, von einer mittleren Zeit von 20,9 auf 10,2 Sekunden.
"In gewisser Weise haben wir gehofft, dass dies passieren würde - aber vielleicht nicht in dem Maße, wie wir es beobachtet haben", sagte Co-Senior-Autorin Jennifer Collinger, Ph. D., außerordentliche Professorin am Pitt Department of Physical Medizin und Rehabilitation. „Das sensorische Feedback von Gliedmaßen und Händen ist enorm wichtig, um normale Dinge in unserem täglichen Leben zu tun, und wenn dieses Feedback fehlt, wird die Leistung der Menschen beeinträchtigt."
Studienteilnehmer Nathan Copeland, dessen Fortschritte in dem Artikel beschrieben wurden, ist der erste Mensch auf der Welt, dem winzige Elektrodenarrays nicht nur in den motorischen Kortex seines Gehirns, sondern auch in seinen somatosensorischen Kortex implantiert wurden - eine Region von das Gehirn, das sensorische Informationen aus dem Körper verarbeitet. Arrays ermöglichen es ihm, nicht nur den Roboterarm mit seinem Verstand zu steuern, sondern auch taktiles sensorisches Feedback zu erh alten, das der Funktionsweise neuronaler Sch altkreise ähnelt, wenn das Rückenmark einer Person intakt ist.
"Ich war sowohl mit den Empfindungen, die durch Stimulation erzeugt werden, als auch mit der Ausführung der Aufgabe ohne Stimulation bereits sehr vertraut. Auch wenn die Empfindung nicht 'natürlich' ist - es fühlt sich wie Druck und leichtes Kribbeln an - hat mich das nie gestört, " sagte Copeland. „Es gab nicht wirklich einen Punkt, an dem ich das Gefühl hatte, dass die Stimulation etwas war, an das ich mich gewöhnen musste. Die Aufgabe zu erledigen, während man die Stimulation erhielt, passte einfach zusammen wie PB&J."
Nach einem Autounfall, bei dem er seine Arme nur eingeschränkt benutzen konnte, nahm Copeland an einer klinischen Studie teil, in der die sensomotorische Mikroelektroden-Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI) getestet wurde, und ihm wurden vier Mikroelektroden-Arrays implantiert, die von Blackrock Microsystems entwickelt wurden (ebenfalls allgemein bekannt als Utah-Arrays bezeichnet).
Dieses Papier ist ein Fortschritt gegenüber einer früheren Studie, die zum ersten Mal beschrieb, wie die Stimulation sensorischer Regionen des Gehirns mit winzigen elektrischen Impulsen Empfindungen in bestimmten Regionen der Hand einer Person hervorrufen kann, obwohl sie das Gefühl in ihrer Hand verloren hat Gliedmaßen aufgrund einer Rückenmarksverletzung. In dieser neuen Studie kombinierten die Forscher das Lesen der Informationen aus dem Gehirn, um die Bewegung des Roboterarms zu steuern, mit dem Zurückschreiben von Informationen, um sensorisches Feedback zu geben.
In einer Reihe von Tests, bei denen der BCI-Bediener gebeten wurde, verschiedene Objekte von einem Tisch aufzunehmen und auf eine erhöhte Plattform zu übertragen, ermöglichte die Bereitstellung von taktilem Feedback durch elektrische Stimulation dem Teilnehmer, Aufgaben doppelt so schnell wie bei Tests zu erledigen ohne Anregung.
In der neuen Arbeit wollten die Forscher die Wirkung von sensorischem Feedback unter Bedingungen testen, die der realen Welt so ähnlich wie möglich sind.
"Wir wollten die Aufgabe nicht einschränken, indem wir die visuelle Komponente der Wahrnehmung entfernen", sagte Co-Senior-Autor Robert Gaunt, Ph. D., außerordentlicher Professor am Pitt Department of Physical Medicine and Rehabilitation. „Wenn selbst begrenzte und unvollkommene Empfindungen wiederhergestellt werden, verbessert sich die Leistung der Person auf ziemlich signifikante Weise. Wir haben noch einen langen Weg vor uns, um die Empfindungen realistischer zu machen und diese Technologie zu den Menschen nach Hause zu bringen, aber je näher wir kommen können die normalen Eingaben an das Gehirn wiederherzustellen, desto besser werden wir dran sein."
