Įsivaizduokite, kad užmerkiate akis ir po daugelio metų vėl pajuntate švelnų piršto galiuko spaudimą. Penkiems žmonėms su nugaros smegenų traumomis tai tapo įmanoma, nes smulkūs elektrodai siuntė tikslias elektrines impulsų serijas tiesiai į smegenų sritį, kuri interpretuoja lytėjimą. Tai, kas prieš dešimtmetį atrodė kaip laboratorinis įdomumas, dabar suteikė ilgalaikius, pakartojamus pojūčius be rimtos žalos.

Dešimtmetis signalų, milijonai impulsų, viena pagrindinė išvada

Pitsburgo universiteto ir Čikagos universiteto tyrėjai stebėjo penkis savanorius, kuriems buvo implantuotos intrakortikalinės mikroelektrodų masyvų sistemos. Per visą laikotarpį šie implantai iš viso suformavo apie 168 milijonus stimuliacijos impulsų, o bendra implantų naudojimo trukmė sudarė 27 metus. Rezultatai, paskelbti žurnale Science Translational Medicine, yra ilgiausias iki šiol atliktas intrakortikalinės mikrostimuliacijos žmoguje tyrimas ir pateikia svarbių įrodymų, kad dirbtinis lytėjimas gali būti saugus ir stabilus metų metus, ne tik savaites ar mėnesius.

Kaip komanda tai išbandė? Maži elektriniai srautai buvo nukreipti į somatosensorinį žievės sluoksnį, smegenų sritį, kuri žemėlapio principu atvaizduoja jutimus iš kūno. Kai impulsai pasiekdavo tinkamas zonas, dalyviai pranešdavo apie lokalizuotus pojūčius rankose ir pirštuose. Šie pojūčiai grąžino tokį jutiminį grįžtamąjį ryšį, kurį dauguma žmonių laiko savaime suprantamu: spaudimą, kontaktą ir objekto buvimo jausmą.

Duomenys buvo palankūs. Dirbtiniai pojūčiai išliko lokalizuoti numatytose rankos srityse. Pojūčių perslinkimas į nesusijusias kūno dalis pasitaikė retai. Ilgalaikiai pojučiai buvo reti, vidutiniškai pasitaikė maždaug 1 iš 23 000 stimuliacijos bandymų, ir dauguma jų išnykdavo per 10 sekundžių po stimuliacijos nutraukimo. Niekas iš dalyvių nepatyrė skausmo ir neprireikė medicininės pagalbos.

Ką tai reiškia neuroprotezams

Kodėl tai svarbu? Nes lytėjimas yra būtinas preciziškam judesiui. Jo neturint, protezės valdymas tampa vizualiai reikalaujantis ir psichiškai varginantis. Jutiminis grįžtamasis ryšys leidžia vartotojams įvertinti sukibimo jėgą, užčiuopti slydimą ir pajusti kontaktą be būtinybės nuolat stebėti įrenginį. Net paprastų taktilinių signalų grąžinimas gali žymiai sumažinti kognityvinį krūvį ir pagerinti valdymą.

Akademinės komandos šią idėją propaguoja jau daugelį metų. 2012 metais Pitsburgo tyrėjų vadovaujama grupė implantavo elektrodus į motorinį žievės sluoksnį, kad paralyžiuotas asmuo galėtų valdyti robotinę ranką. Iki 2015 metų tos pačios laboratorijos pradėjo stimuliuoti sensorinį žievės sluoksnį, kad sugrąžintų lytėjimą. Čikagos universitetas 2020 metais pradėjo kombinuotus motorinius ir sensorinius implantus dalyviams, taip plečiant kelią link koordinuotų motorinių ir sensorinių neuroprotezų.

Pagrindiniai našumo ir saugumo akcentai

  • Trukmė: Bendra implanto naudojimo trukmė penkių dalyvių sudarė 27 metus.
  • Apimtis: Iš viso išvesta maždaug 168 milijonai stimuliacijos impulsų.
  • Saugumas: Stimuliacijai nepriskirtų rimtų nepageidaujamų poveikių nebuvo.
  • Pojūčių stabilumas: Lokalizuoti pojūčiai išliko be sistemingo poslinkio.
  • Nuolatinio pojūčio dažnis: maždaug 1 iš 23 000 bandymų; dauguma praeidavo per 10 sekundžių.

„Šis tyrimas žymi svarbų tašką dėl smegenų ir kompiuterio sąsajų naudojimo jutiminiams stimulams klinikinėse aplinkose ir galiausiai namuose saugumo ir naudingumo“, sakė vyresnysis autorius Robert Gaunt, fizinės medicinos ir reabilitacijos asociacijos profesorius Pitsburgo universitete. „Tam, kad smegenų ir kompiuterio sąsajos iš tiesų paveiktų žmonių gyvenimus, jos turi veikti saugiai ir patikimai metų metus. Šis tyrimas rodo, kad mikrostimuliacija smegenyse gali tai užtikrinti.“

Vis dėlto technologija turi ribų. Elektrodų ilgaamžiškumas buvo pagrindinė problema: vidutiniškai 64 procentai implantuotų elektrodų išliko funkcionalūs tarp dalyvių. Vieno asmens atveju po 10 metų 60 procentų elektrodų veikė, nors vėliau jų našumas mažėjo greičiau. Šios patvarumo problemos rodo poreikį patvaresnėms medžiagoms, pakavimui ir gamybai, jei įrenginiai turėtų pereiti iš tyrimų laboratorijų į kasdieninę klinikinę praktiką.

„Tai parodo, kad ši technologija neturi būti tik trumpalaikis sprendimas, kurį bandome laboratorijoje; pramonė gali pradėti kurti ilgalaikius sprendimus pacientams naudoti namuose“, sakė pagrindinis autorius Charles Greenspon, Neurologinės chirurgijos katedros docentas Čikagos universitete.

Ekspertų įžvalga

„Ilgalaikė jutiminė atstatyba yra vartai į praktišką neuroproteziką“, sakė dr. Elena March, fiktyvi vyresnioji neuroinžinierė ir mokslo komunikatorė. „Trumpi laboratoriniai seansai gali parodyti galimybę, tačiau žmonėms, gyvenantiems su paralyžiumi, reikalingos sistemos, kurios išliktų kūne metų metus ir liktų prognozuojamos. Kitas pažangos etapas ateis iš inžinierių ir gamintojų bendradarbiavimo: gerinant elektrodų dangas, mažinant imuninę reakciją ir kuriant saugiklius, kad pacientai galėtų pasikliauti šiais įrenginiais namuose.“

Tyrėjai jau tiria panašius mikrostimuliacijos metodus smegenų srityse, susijusiose su rega ir klausa. Jei tai bus sėkminga, ta pati koncepcija - tikslios elektrinės įvestys, imituojančios natūralius neuroninius modelius - galėtų būti pritaikyta ir kitų jutimų atkūrimui. Tai atveria įdomias galimybes ir sudėtingus inžinerinius klausimus: kaip mastuoti implantus, kaip sertifikuoti ilgalaikį saugumą ir kaip padaryti įrenginius prieinamus ir ekonomiškus.

Išvados

Naujasis tyrimas suteikia retą ilgalaikį žvilgsnį į intrakortikalinę mikrostimuliaciją žmonėse. Jis rodo, kad tikslinga elektrinė stimuliacija gali suteikti prasmingus, lokalizuotus lytėjimo pojūčius metus be rimtos žalos, tuo pačiu įvardindamas elektrodų ilgaamžiškumą kaip pagrindinę techninę kliūtį. Kelias link plačiai prieinamų jutiminių neuroprotezų reikalauja ne tik neurologinių įžvalgų, bet ir patvarios techninės įrangos bei pramoninio masto vystymo. Pažadas aiškus: ateitis, kurioje lytėjimas, prarastas dėl traumos, gali būti sugrąžintas kaip stabilus kasdienis jutimas.