En konstgjord hand med riktiga känslor

Det har skett anmärkningsvärda mekaniska framsteg inom protesproteser under de senaste åren, inklusive omkoppling av nervfibrer för att kontrollera sofistikerade mekaniska armar (se A Lifelike Prosthetic Arm ), och hjärngränssnitt som möjliggör komplicerad tankekontroll (se Hjärnan hjälper Quadriplegics att flytta robotarmar med sina tankar ). Men trots alla dessa framsteg kan proteser inte skicka tillbaka sensorisk information till bäraren, vilket gör det svårare för dem att utföra uppgifter som att plocka upp föremål utan att krossa dem eller tappa greppet.

Touch-gränssnitt : En ny typ av nervgränssnitt ger bäraren, Igor Spetic, en känsla av beröring vid 20 punkter på sin handprotes.

Nu har forskare vid Cleveland Veterans Affairs Medical Center och Case Western Reserve University utvecklat en ny typ av gränssnitt som kan förmedla en känsla av känsel från 20 punkter på en handprotes. Den gör detta genom att direkt stimulera nervknippen – kända som perifera nerver – i armarna på patienter; två personer har hittills utrustats med gränssnittet. Dessutom fortsätter implantaten att fungera efter 18 månader, en anmärkningsvärd milstolpe med tanke på att elektriska gränssnitt till nervvävnad gradvis kan försämras i prestanda.

TILL video- producerad för flera veckor sedan visar en 48-årig man från Ohio som förlorade sin högra hand i en olycka för tre år sedan och använde sin handprotes för att plocka upp och ta bort stjälkar från körsbär utan att krossa dem från överdriven klämning. Detta var tack vare den nya tekniken, som gjorde det möjligt för kraftdetektorer på siffrorna i hans handprotes att förmedla beröringsinformation direkt till tre nervgränssnitt i ärtstorlek som kirurgiskt implanterades i hans nedre högra arm. Han styr handen genom en standardteknik som kallas ett myoelektriskt gränssnitt, som använder signaler från musklerna i hans underarm för att styra handprotesrörelser.

Arbetet öppnar för möjligheten att proteser en dag skulle kunna ge varaktig och nyanserad feedback till människor, säger Dustin Tyler , Case Western-professorn bakom projektet.

Lee Miller , en professor i neurovetenskap vid Northwestern University som inte var involverad i forskningen, säger att prestationen verkar anmärkningsvärd. Detta är det största antalet distinkta beröringssensationer som genereras av perifer nervstimulering som jag känner till, och den 18 månader långa stabiliteten är också oöverträffad, säger Miller. Ett papper om arbetet håller på att förberedas, säger Tyler.

Nervcentrum : Den här sju millimeter långa enheten, som kallas en manschettelektrod, kan förmedla känslor från sensorer på en handprotes eller fingrar när den är fäst vid en perifer nerv i armstumpen.

Kärnan i tekniken är en anpassad version av ett gränssnitt som kallas en manschettelektrod. Tre nervknippen i armen - radiella, median och ulnar - hålls i de sju millimeters manschetterna, som försiktigt plattar ut dem, vilket sätter de normalt runda knippena i en mer rektangulär konfiguration för att maximera ytan.

Sedan levererar totalt 20 elektroder på de tre manschetterna elektriska signaler till nervfibrer som kallas axoner från utsidan av ett skyddande hölje av levande celler som omger dessa nervfibrer. Detta tillvägagångssätt skiljer sig från andra experimentella teknologier, som penetrerar manteln för att direkt vidröra axonerna. Dessa mantelpenetrerande gränssnitt tros erbjuda högre upplösning, åtminstone initialt, men med en potentiellt högre risk för signalförsämring eller nervskada på lång sikt. Och så har de inte testats på längre än några veckor.

Den körsbärsgripande testpersonen är Igor Spetic från Madison, Ohio. Han tappade handen på sitt jobb när den krossades i en smideshammare medan han tillverkade en aluminiumbeslag till en jetmotor. Nu har han två små ledningsnät som sticker ut från en port i hans övre högra arm. På labbet ansluter Tyler dessa selar till en enhet som genererar de elektriska signalerna som skickas till manschetten. Den här enheten tar i sin tur emot utlösande information från sensorer på sin handprotes.

Hans sensoriska feedback har bara känts i labbet hittills, men Spetic bekänner sig förvånad över hans unika försök. Det är riktigt spännande att se vad de gör, och jag hoppas att det kan hjälpa andra människor, säger Spetic. Jag vet att vetenskap tar lång tid. Om jag inte får något att ta med mig hem, men nästa person gör det, är allt till det bättre.

Forskare placerar försiktigt implantaten för att avgöra var Spetic uppfattar krafter på sin saknade lem. När den väl har installerats kan Spetic upptäcka förnimmelser på flera fingrar och på baksidan och sidan av sin saknade hand, vilket motsvarar input från protesen. När implantatet väl är på plats verkar förnimmelserna alltid uppstå på samma ställen och växlar inte runt, säger Spetic.

Tyler kan ställa in de elektriska signalerna som skickas till manschetten för att producera en mängd olika förnimmelser. Spetic säger att det ibland känns som att han rör ett kullager, andra gånger som att han borstar bomullsbollar, sandpapper eller hår.

Tyler säger att sensationerna som Spetic rapporterar är mer naturliga och användbara än den vaga surrande känslan som tidigare experimentell teknik ofta hade producerat. Det betyder att det kan vara möjligt att anpassa en känsla så att patienten till exempel känner att han rör vid en penna. Andra grupper och företag arbetar på bättre kraftdetektorer att fästa på en handprotes och generera så nyanserade signaler.

Forskningen är verkligen banbrytande och ledande i världen när det gäller att ge direkt sensorisk feedback till amputerade, säger Jack Judy, chef för Nanovetenskapligt institut för medicin och ingenjörsteknik vid University of Florida i Gainesville. Judy tjänstgjorde nyligen som programledare för Defense Advanced Research Projects Agency, där han drev ett program som försökte förbättra prestandan och tillförlitligheten hos neurala gränssnitt som används för att kontrollera proteser för amputerade soldater. Minst 1 715 soldater fick amputationer i krigen i Irak och Afghanistan.

Andra befintliga teknologier ger sensoriska input direkt till nerverna. Cochleaimplantat stimulerar till exempel hörselnerven för att återställa hörseln, och tekniker för att stimulera vagusnerven – som går från hjärnstammen till bröstet och buken – kan användas för att behandla epilepsi och till och med depression. Men när det gäller att stimulera nerver för att ge en effektiv känselkänsla hos människor har det varit mycket mindre framsteg, säger Judy.

Det finns andra tillvägagångssätt för sensorisk feedback, inklusive ansträngningar att göra detta direkt genom hjärnimplantat (se Att ge proteser en känsel). Men hjärnimplantat anses vara längre bort på grund av de ökade säkerhetsproblemen från att öppna skallen. Case Western-arbetet är i ett pilotförsök, och Tyler säger att om allt går bra kan en enhet finnas på marknaden om fem till 10 år.

Dölj