Американские ученые приделали макаке третью руку в виде роботизированного манипулятора. Обезьяна быстро научилась пользоваться протезом, соединенным непосредственно с корой мозга.

В эксперименте исследователей из Питтсбургского университета и Университета Карнеги Меллон (Carnegie Mellon University) участвовали макаки. Исследователи выбрали приматов из-за их общих с человеком анатомических черт и потому, что они хорошо обучаемы. Начались опыты в 2004 году. Сначала сотрудники Питтсбургского университета (University of Pittsburgh) попробовали научить приматов пользоваться механической рукой при помощи джойстика. Обезьяны научились.

Новый этап эксперимента должен был подтвердить, что обезьяны могут управлять протезом только при помощи мозга. Как говорят авторы работы, на всякий случай они применили упрощенную модель механической руки. Она, конечно, напоминает человеческую руку со всеми суставами — плечевым и локтевым. Только вместо кисти ученые приспособили захват, состоящий из двух пальцев.

Фото: Andrew Schwarz/University of Pittsburg

В череп подопытных животных исследователи имплантировали сеть из 100 электродов. Ее поместили в область моторной коры мозга — на тот участок, где нервные клетки управляют чувствительностью руки и ее движениями. Каждый электрод толщиной с человеческий волос соединили с одним нейроном, а провод от него направили непосредственно в компьютер.

Конечно, при движении руки задействованы миллионы нейронов, но исследователи решили, что сотни для начала хватит.

Специальное программное обеспечение обрабатывало электрические импульсы, которые поступали от каждого из моторных нейронов. Нервные сигналы переводились в электронные команды, аналогичные тем действиям, которые произвела бы в данный момент макака своей рукой. Команды посылались в механическую руку, закрепленную рядом с левым плечом обезьяны. Животное при этом закрепили в специальном станке, надежно зафиксировав обе верхние конечности.

Сначала ученые использовали компьютер, чтобы помочь обезьянам научиться перемещать руку. А чтобы не «расстраивать» животных в случае неудачных попыток, исследователи частично сами управляли манипулятором.

Уже через несколько дней животные обходились без посторонней помощи.

Они хорошо дотягивались механическим манипулятором до виноградин, зефира и других лакомств, которые перед ними подвешивали. Скорость движения руки при захвате достигла двух третей от той, с которой перемещается естественная конечность. Часто обезьяна тянулась к новому лакомству, еще не прожевав предыдущее.

Обезьяны научились держать манипулятор открытым при приближении пищи и закрывать его ровно настолько, чтобы держать ее и есть, постепенно ослабляя хватку. Кроме того, животные могли обводить руку вокруг препятствий и корректировать ее движения, если исследователи неожиданно передвигали лакомство в сторону.

Экспериментаторы утверждают, что движения манипулятора стали очень плавными и естественными.

Похоже, что обезьяна признала автоматизированное устройство частью своего тела, считают авторы работы.

Несколько раз обезьяна доносила до рта открытый манипулятор, чтобы вытереть крошки. В другом случае животное облизывало палец пустого манипулятора, донося его до рта. Или продвигало при помощи манипулятора еду в рот, не обращая внимания на приготовленный новый кусочек лакомства.

Как говорят исследователи, животные изобретали новые способы использования механической руки, которые не предполагались по условиям эксперимента.

«В реальной жизни не все работает так, как хочется, — говорит руководитель группы доктор Эндрю Шварц (Andrew Schwartz) из Питтсбургского университета. — Зефир может прилипнуть к руке, мимо еды можно промахнуться. И компьютер на все не запрограммируешь. Но мозг обезьян приспосабливался. Они облизывали зефир с механического пальца или заталкивали им еду в рот так, как будто это их собственная конечность».

Ученым придется еще немало поработать, прежде чем их новую технологию удастся применить на практике.

Дольше месяца обезьяна со вживленными электродами пока не выдерживает, почему — непонятно.

Пока еще никому не удалось создать работоспособную беспроводную систему, которая позволила бы не нарушать целостность черепа. При этом оборудование для чтения и кодировки нейронного сигнала очень тяжелое и требует постоянного обслуживания и настройки.

К тому же манипулятор использует только несколько степеней свободы в плече и локте. Следующий этап — изготовление полноценной руки с работающими пальцами, у которой уже 22 степени свободы.

Но команда ученых надеется, что обе проблемы технические, а потому решаемые.

Канадский невролог Джон Каласка (John F. Kalaska), комментируя работу американских коллег, говорит, что со временем можно найти области коры, которые позволят более тонкий контроль работы протезных устройств. Он говорит, что эта технология позволит пациентам с двигательными нарушениями лучше взаимодействовать с окружающим миром. И не только путем простых движений при помощи автоматизированных устройств, но и в более естественной манере, отражающей все цели, потребности и предпочтения.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Источник: www.akado.co