Контроль протезов рук с высокой точностью силой мысли

Нейробиологи показали, как можно улучшить тонкую моторику нейропротезов.

Исследователи из Немецкого приматного центра — Института Лейбница по исследованиям приматов в Гёттингене разработали новый протокол обучения для интерфейсов «мозг‑компьютер» в исследовании с макаками-резус. Метод позволяет точно управлять протезами рук, используя только сигналы мозга. Впервые ученым удалось показать, что нейронные сигналы, которые в мозге отвечают за разные положения кисти, главным образом важны для такого управления, а не, как ранее считалось, сигналы, контролирующие скорость движения. Результаты имеют ключевое значение для улучшения тонкого контроля нейронных протезов руки, что потенциально может вернуть парализованным пациентам часть или всю утраченный подвижность.

Держать сумки с покупками, продеть нитку в ушко иглы — силовые и точные захваты являются частью нашей повседневной жизни. Мы по‑настоящему осознаем, насколько важны наши руки, только когда теряем возможность ими пользоваться, например при параплегии или при заболеваниях вроде БАС, которые вызывают прогрессирующий паралич мышц.

Для помощи таким пациентам ученые десятилетиями исследуют нейропротезы. Эти искусственные кисти, руки или ноги могут вернуть людям с ограниченными возможностями подвижность. Поврежденные нервные связи обходятся с помощью интерфейсов «мозг‑компьютер», которые декодируют сигналы мозга, переводят их в движения и таким образом управляют протезом. До сих пор однако протезы руки в особенности не обладали необходимой тонкой моторикой для повседневного использования.

«То, насколько хорошо работает протез, в первую очередь зависит от нейронных данных, считываемых компьютерным интерфейсом, который его контролирует», — говорит Андрес Агудело‑Торо, ученый лаборатории нейробиологии Немецкого приматного центра и первый автор исследования. «Предыдущие исследования движений руки и руки фокусировались на сигналах, которые контролируют скорость захвата. Мы хотели выяснить, не лучше ли подходят для управления нейропротезом нейронные сигналы, представляющие положения кисти».

Для исследования ученые работали с макаками‑резус (Macaca mulatta). Как и у человека, у них высокоразвитая нервная и зрительная система, а также выраженные тонкие моторные навыки. Это делает их особенно пригодными для изучения захватов.

Чтобы подготовиться к основному эксперименту, ученые обучили двух макак‑резус перемещать виртуальную руку‑аватар на экране. Во время этой тренировочной фазы животные выполняли движения собственной рукой, одновременно наблюдая соответствующее движение виртуальной руки на экране. Данные о движениях кисти животных записывались при помощи перчатки с магнитными датчиками, которую макаки носили во время задания.

Когда животные выучили задачу, их обучили на следующем этапе управлять виртуальной рукой, «представляя» захват мысленно. Измерялась активность популяций нейронов в кортикальных областях мозга, отвечающих за контроль движений руки. Исследователи сосредоточили внимание на сигналах, представляющих разные положения кисти и пальцев, и адаптировали алгоритм интерфейса «мозг‑компьютер», который переводит нейронные данные в движение, в соответствии с соответствующим протоколом.

«Отойдя от классического протокола, мы адаптировали алгоритм так, чтобы важно было не только место назначения движения, но и то, как вы к нему приходите, то есть путь исполнения», — объясняет Андрес Агудело‑Торо. «Это в конечном итоге привело к наиболее точным результатам».

Затем исследователи сравнили движения виртуальной руки‑аватара с данными реальной руки, которые они записали ранее, и смогли показать, что эти движения выполнялись с сопоставимой точностью.

«В нашем исследовании мы смогли показать, что сигналы, контролирующие положение кисти, особенно важны для управления нейропротезом», — говорит Хансйорг Шербергер, глава лаборатории нейробиологии и старший автор исследования. «Эти результаты теперь можно использовать для улучшения функциональности будущих интерфейсов «мозг‑компьютер» и, таким образом, для улучшения тонкой моторики нейронных протезов».

Исследование было поддержано Немецким исследовательским обществом (DFG, гранты FOR‑1847 и SFB‑889) и проектом Европейского Союза Horizon 2020 B‑CRATOS (GA 965044).

Материалы предоставлены Немецким приматным центром (DPZ)/German Primate Center.

Andres Agudelo‑Toro, Jonathan A. Michaels, Wei‑An Sheng, Hansjörg Scherberger. Accurate neural control of a hand prosthesis by posture-related activity in the primate grasping circuit. Neuron, 2024; DOI: 10.1016/j.neuron.2024.09.018