Международная группа исследователей протестировала новый способ восстановления ощущения движения у людей с ампутацией руки: небольшие магниты, имплантированные в мышцы культи, создавали у участника естественное чувство открывания и сжатия отсутствующей кисти. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances и указывают на возможность создания протезов, которыми можно управлять более интуитивно, не полагаясь только на зрение.
Технология основана на так называемом миокинетическом кинестетическом интерфейсе. Он использует вибрации, создаваемые в имплантированных магнитах, чтобы возвращать пользователю ощущение движения. Систему объединили с роботизированной кистью Mia Hand, разработанной компанией Prensilia, связанной со Школой высших исследований Сант’Анна в Италии.
Испытание провели с участием 34-летнего мужчины из Италии, перенесшего травматическую ампутацию предплечья. Хирурги имплантировали в три мышцы его оставшейся части руки небольшие постоянные магниты в биосовместимом пластиковом покрытии. В обычной руке эти мышцы отвечают за сгибание запястья, разгибание пальцев и движение большого пальца. Задачей было проверить, сможет ли вибрация магнитов вызвать у мозга ощущение движения отсутствующей руки.
Во время эксперимента участник помещал руку в специальную рамку с электромагнитными катушками. Они создавали локальные магнитные поля вокруг предплечья, что позволяло дистанционно вибрировать отдельные магниты с разной скоростью, не касаясь кожи. Имплант был рассчитан на шесть недель — этого периода исследователи сочли достаточным для первичной проверки интерфейса.
Ученые применяли вибрации с разной формой импульсов и частотой от 1 до 130 герц, сохраняя интенсивность в комфортных пределах. После каждого короткого воздействия участник описывал характер ощущения, место, где оно воспринималось, и его выраженность. Хотя исследователи ожидали, что стимуляция отдельной мышцы будет вызывать ощущение движения одного пальца, участник последовательно сообщал о скоординированных движениях всей кисти: она либо раскрывалась, либо сжималась в хват.
По словам участника, эти ощущения были близки к естественным. Он воспринимал движения как согласованные и реалистичные, а пальцы фантомной руки — как движущиеся в нормальных анатомических пределах. Они не пересекались и не принимали невозможных положений, что, по мнению исследователей, указывает на сохранение у мозга структурной карты кисти даже после утраты конечности.
Наиболее яркие ощущения движения возникали при средней частоте вибрации 82,5 герца. Низкие частоты участник замечал редко. При проверке скорости реакции выяснилось, что он способен надежно обнаруживать стимуляцию примерно за 40 миллисекунд, что соответствует двум-четырем циклам магнитной волны.
Когда исследователи одновременно активировали несколько магнитов с разной интенсивностью, участнику становилось сложнее определить источник воздействия. Более сложных поз кисти при этом не возникало: конкурирующие сигналы лишь иногда затрудняли понимание того, какая именно мышца стимулируется.
Авторы также сопоставили полученные данные с результатами другого нейромашинного интерфейса, разработанного в Cleveland Clinic. Несмотря на то что та система основана на хирургическом перенаправлении нервов и робототехнике, а не на магнитных имплантах, оба подхода дали схожий результат: вызванные ощущения воспринимались не как отдельные сигналы от пальцев, а как скоординированные движения кисти.
Это, как отмечают исследователи, поддерживает представление о том, что мозг организует движение через так называемые моторные синергии — готовые согласованные паттерны, которые объединяют мышцы в единые действия, например хват или тянущееся движение. Полученные результаты показывают, что ощущение движения, вероятно, также обрабатывается мозгом в такой координированной форме.
Исследователи подчеркивают, что работа имеет ограничения, прежде всего из-за участия только одного человека. Для проверки применимости метода к более широкой группе пациентов потребуются дополнительные испытания. Команда уже рассматривает создание постоянного имплантируемого решения, которое позволит изучать интерфейс дольше и на большем числе участников.
Следующий этап работы — объединить ранее разработанные методы считывания положения имплантированных магнитов для управления протезом с вибрационной обратной связью, восстанавливающей ощущение движения. В более долгосрочной перспективе исследователи рассчитывают создать постоянный имплант, сочетающий естественное ощущение хвата с интуитивным моторным контролем. По их оценке, такие разработки могут быть полезны не только для протезирования, но и в будущем для реабилитации после инсульта, а также для лечения эпилепсии и боли.
